FR2928972A1 - THERMODYNAMIC DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MECHANICAL ENERGY FROM HEAT USING MULTIPLE FLUIDS, MIXED AND THEN SEPARATED, IN ONE OR MORE THERMODYNAMIC CYCLES. - Google Patents
THERMODYNAMIC DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MECHANICAL ENERGY FROM HEAT USING MULTIPLE FLUIDS, MIXED AND THEN SEPARATED, IN ONE OR MORE THERMODYNAMIC CYCLES. Download PDFInfo
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Abstract
Le dispositif et procédé de l'invention met en oeuvre la mise en mélange d'un fluide thermodynamique avec d'autres fluides, incompressibles et à chaleur volumique élevée, à certaines étapes d'un cycle thermodynamique. Dans ces étapes du cycle thermodynamique, le fluide incompressible accompagne le fluide thermodynamiqu.e dans des transformations où il produit ou reçoit du travail dans des conditions quasi isothermes, et/ou le fluide incompressible échange de la chaleur avec le fluide thermodynamique dans des transformations où il ne produit ni ne reçoit de travail vis à vis de l'extérieur, et/ou les deux fluides sont présents dans la zone même où est générée la chaleur à température haute, dite chaleur primaire, par exemple à partir de réactions avec l'oxygène contenu dans le fluide thermodynamique, et où la présence du fluide incompressible permet d'y maîtriser et contrôler les réactions et la température. Ces dispositions sont de nature à favoriser la réversibilité des transformations thermodynamiques, à permettre des cycles thermodynamiques à rendement élevé, et à permettre d'utiliser de façon flexible divers types de réactifs, tels que solides, générant la chaleur primaire notamment dans des cycles à combustion interne, ou avec des réactions chimiques plus générales que la combustion. Les conditions qualitatives et quantitatives du mélange entre un fluide thermodynamique et un fluide incompressible selon la présente invention y sont définies. Les appareils de détente ou de compression sont notamment des appareils volumétriques ou dynamiques, modifiés et adaptés selon l'invention lorsqu'un fluide thermodynamique et un fluide incompressible y sont présents en mélange. Le dispositif peut mettre en oeuvre différents cycles thermodynamiques, par exemple un cycle de Ericsson ou un cycle de Brayton. Le dispositif s'applique aux domaines de la production et de l'utilisation de l'énergie mécanique, notamment la propulsion de véhicules ou la transformation de l'énergie mécanique.The device and method of the invention implements the mixing of a thermodynamic fluid with other fluids, incompressible and high volume heat at certain stages of a thermodynamic cycle. In these stages of the thermodynamic cycle, the incompressible fluid accompanies the thermodynamic fluid in transformations where it produces or receives work under quasi-isothermal conditions, and / or the incompressible fluid exchanges heat with the thermodynamic fluid in transformations where it does not produce or receive work with respect to the outside, and / or the two fluids are present in the very area where heat is generated at high temperature, called primary heat, for example from reactions with the oxygen contained in the thermodynamic fluid, and where the presence of the incompressible fluid makes it possible to control and control the reactions and the temperature. These provisions are likely to favor the reversibility of thermodynamic transformations, to allow high efficiency thermodynamic cycles, and to allow flexible use of various types of reagents, such as solids, generating primary heat, especially in combustion cycles. internal, or with more general chemical reactions than combustion. The qualitative and quantitative conditions of the mixture between a thermodynamic fluid and an incompressible fluid according to the present invention are defined therein. The expansion or compression devices are in particular volumetric or dynamic devices, modified and adapted according to the invention when a thermodynamic fluid and an incompressible fluid are present in a mixture. The device can implement different thermodynamic cycles, for example an Ericsson cycle or a Brayton cycle. The device is applicable to the fields of production and use of mechanical energy, including the propulsion of vehicles or the transformation of mechanical energy.
Description
DISPOSITIF ET PROCEDE THERMODYNAMIQUE DE PRODUCTION D'ENERGIE MECANIQUE A PARTIR DE LA CHALEUR UTILISANT PLUSIEURS FLUIDES, MELANGE S PUIS SEPARES, DANS UN OU PLUSIEURS CYCLES THERMODYNAMIQUES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE THERMODYNAMIC DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MECHANICAL ENERGY FROM HEAT USING SEVERAL MULTIPLE FLUIDS, MIXED AND SEPARATED IN ONE OR MORE THERMODYNAMIC CYCLES DESCRIPTION TECHNICAL FIELD
La présente invention concerne un dispositif et procédé de production d'énergie mécanique échangeant de la chaleur avec l'extérieur, où un ou plusieurs fluides thermodynamiques sont mis en mélange, dans certaines phases de leur cycle 10 thermodynamique, avec d'autres fluides, incompressibles et ayant une chaleur volumique (produit de la chaleur massique par la masse volumique) beaucoup plus importante que celle du fluide thermodynamique. The present invention relates to a device and method for producing mechanical energy exchanging heat with the outside, where one or more thermodynamic fluids are mixed, in certain phases of their thermodynamic cycle, with other incompressible fluids. and having a heat density (product of the heat mass by the density) much higher than that of the thermodynamic fluid.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE 15 Les principes de la production d'énergie mécanique par un système physique à partir de la chaleur qu'il reçoit et qu'il cède sont régis par la thermodynamique, dont les bases et les développements relèvent de l'état des sciences et des techniques. Nous présentons ici des rappels utiles à la description de l'état de la technique et nécessaires à la présentation de l'invention, notamment en ce qui concerne l'expression de ses 20 caractéristiques qualitatives et quantitatives spécifiques. Le système d'unité utilisé est le système international (SI), et les unités et leurs symboles utilisés dans le texte sont présentés dans le tableau I. Grandeur Travail Puissance Masse Temps Longueur Pression Unité joule watt kilogramme seconde _ mètre pascal Symbole J W kg s _ m Pa Tableau I Les expressions mathématiques utilisent les notations usuelles des opérations eu 25 fonctions sur des variables ou des nombres: + pour l'addition., - pour la soustraction, / pour la division, le symbole de la multiplication est généralement omis ou parfois noté x, la puissance n d'un nombre a est notée a°, le logarithme népérien d'un nombre a positif est noté Ln(a), la valeur absolue d'un nombre a est notée 1 a I , l'expression sous forme décimale d'un nombre utilise la virgule pour séparer les puissances de 10 positives et 30 négatives (par exemple 3,14 signifie trois et quatorze centièmes), les sommations multiples indicées sont précédées du signe E, les parenthèses ( ) et/ou crochets [ j permettent de désigner les regroupements de nombres ou variables sur lesquels portent les opérations ou fi)nctions. Dans l'ensemble du texte, la température T désigne la température absolue., exprimée en degrés kelvin, notés °K. 35 Un système physique (ensemble de particules - molécules, atomes... - qui le constituent) immobile (sans mouvement macroscopique d'ensemble) et en équilibre statistique, possède une énergie totale appelée énergie interne qui est une fonction des paramètres définissant l'état du système (température, pression, volume...). Notamment, dans le cas où le système physique est une masse m de gaz parfait, 40 l'équation d'état, c'est-à-dire la relation qui relie la pression P, le volume V et la température absolue T, est PV = mRT/M, où M est la masse molaire du gaz (c'est à dire la masse d'une molécule multipliée par le nombre d'Avogadro égal à 0,6022x1024)5 et R la constante molaire des gaz parfaits, égale 8,314 J.mole r.(°K)-r, et l'énergie interne U du système physique ne dépend que de la température. Lorsque le système est macroscopiquement animé d'une vitesse, l'énergie totale du système est la somme de l'énergie interne et de l'énergie cinétique. STATE OF THE PRIOR ART The principles of the production of mechanical energy by a physical system from the heat it receives and that it yields are governed by thermodynamics, the bases and developments of which are in the state. science and technology. We present here reminders useful for the description of the state of the art and necessary for the presentation of the invention, particularly as regards the expression of its specific qualitative and quantitative characteristics. The unit system used is the International System (SI), and the units and their symbols used in the text are presented in Table I. Size Work Power Mass Time Length Pressure Unit joule watt kilogram second _ meter pascal Symbol JW kg s Table I Mathematical expressions use the usual notation of operations with 25 functions on variables or numbers: + for addition, - for subtraction, / for division, the symbol of multiplication is usually omitted or sometimes denoted x, the power n of a number a is denoted a °, the natural logarithm of a positive number a is denoted Ln (a), the absolute value of a number a is denoted 1 to I, the expression in decimal form of a number uses the comma to separate the powers of 10 positive and 30 negative (for example 3,14 means three and fourteen hundredths), the summed multiple summations are preceded by the sign E, the parentheses () and / or square brackets indicate the grouping of numbers or variables to which the operations or fi nances relate. Throughout the text, the temperature T denotes the absolute temperature, expressed in degrees Kelvin, denoted by K. 35 A physical system (set of particles - molecules, atoms ... - which constitute it) immobile (without overall macroscopic movement) and in statistical equilibrium, has a total energy called internal energy which is a function of the parameters defining the system status (temperature, pressure, volume ...). In particular, in the case where the physical system is a mass m of perfect gas, the equation of state, that is to say the relation which relates the pressure P, the volume V and the absolute temperature T, is PV = mRT / M, where M is the molar mass of the gas (ie the mass of a molecule multiplied by the Avogadro number equal to 0.6022x1024) 5 and R the molar constant of the perfect gases, equal 8.314 J.mole R. (° K) -r, and the internal energy U of the physical system depends only on the temperature. When the system is macroscopically animated with a speed, the total energy of the system is the sum of the internal energy and the kinetic energy.
Le système physique peut recevoir de l'extérieur de l'énergie mécanique, sous la forme de travail (ou en fournir, et le travail reçu est alors algébriquement négatif) fournit par les forces macroscopiques extérieures, notamment les forces de pression. Lorsqu'un système soumis à une pression extérieure uniforme P voit, dans une transformation élémentaire, son volume devenir V+dV, le travail des forces de pression, reçu par e système, est donné par la formule dW = - PdV. Dans le cadre de la présente description de l'invention, on considère que la réception du travail (positif ou négatif) par :.e système physique se fait à travers les forces de pression. Le système peut aussi recevoir de la chaleur (ou en fournir, la quantité de chaleur est alors de signe négatif). Un e transformation thermodynamique d'un système physique est une modification des paramètres définissant l'état du système (P, V, T dans le cas d'un gaz), au cours de laquelle le système peut échanger du travail et/ou de la chaleur avec l'extérieur, ou avec lui û même. Lorsque le fluide thermodynamique effectue une suite de transformations qui le ramène finalement à son état initial, la transformation est cyclique et on dit qu'il effectue un cycle thermodynamique. The physical system can receive from outside the mechanical energy, in the form of work (or provide it, and the work received is then algebraically negative) provided by the external macroscopic forces, especially the pressure forces. When a system subjected to a uniform external pressure P sees, in an elementary transformation, its volume becoming V + dV, the work of pressure forces, received by the system, is given by the formula dW = - PdV. In the context of the present description of the invention, it is considered that the reception of the work (positive or negative) by the physical system is done through the pressure forces. The system can also receive heat (or provide it, the amount of heat is then negative sign). A thermodynamic transformation of a physical system is a modification of the parameters defining the state of the system (P, V, T in the case of a gas), during which the system can exchange work and / or heat with the outside, or with him. When the thermodynamic fluid carries out a series of transformations which finally brings it back to its initial state, the transformation is cyclic and is said to carry out a thermodynamic cycle.
Le premier principe de la thermodynamique exprime que lorsqu'un système dont l'énergie interne initiale est Ur reçoit le travail W et la chaleur Q (W et Q grandeurs algébriques), son énergie interne devient U2, et la variation d'énergie interne est donnée par U2 û Ur = W + Q. Le travail et la chaleur contribuent ainsi de façon équivalente à 1a variation d'énergie interne du système. The first principle of thermodynamics expresses that when a system whose initial internal energy is Ur receives the work W and the heat Q (W and Q algebraic magnitudes), its internal energy becomes U2, and the variation of internal energy is Given by U2 - Ur = W + Q. Work and heat thus contribute in an equivalent way to the internal energy variation of the system.
Par contre les conditions dans lesquelles un système physique peut produire du travail lorsqu'on lui fournit de la chaleur sont régies par le second principe de la thermodynamique qui, selon l'énoncé de Carnot, exprime que pour fournir du travail au cours d'un cycle, un système doit échanger de la chaleur avec au moins deux sources de chaleur à des températures différentes . On the other hand, the conditions under which a physical system can produce work when it is supplied with heat are governed by the second principle of thermodynamics which, according to Carnot's statement, expresses that to provide work during a period of time. cycle, a system must exchange heat with at least two heat sources at different temperatures.
Dans la suite du texte, on désignera par l'expression fluide thermodynamique un système physique (quantité donnée de molécules ou atomes d'un gaz ou d'un mélange de gaz, quantité donnée d'un corps ou d'un mélange de corps n'interagissant pas chimiquement entre eux, sous plusieurs phases - gaz, liquide, état critique ou supercritique -) qui effectue des transformations thermodynamiques. Notons que l a formule dW = - PdV indique que, pour qu'un fluide thermodynamique, à l'état monophasique ou diphasique, puisse fournir ou recevoir du travail par l'effet des forces de pression, il est nécessaire qu'il soit dans un état compressible. C'est le cas des gaz et des mélanges gaz û liquide, ou gaz û solide, ou des fluides à l'état supercritique. De façon générale, un dispositif de production d'énergie mécanique à partir ce deux sources de chaleur à des températures différentes comporte typiquement : - une source d'énergie primaire produisant de la chaleur, dite chaleur primaire (source chaude), - un moyen d'évacuer de la chaleur vers l'extérieur (source froide), - un fluide thermodynamique, effectuant un cycle thermodynamique dans des appareil s 45 ou zones où : * il reçoit, via un ou plusieurs mécanismes (conduction, convection, rayonnement...) et/ou dispositifs de transfert, la chaleur générée par la source de chaleur primaire, * il fournit du travail à l'extérieur, * il évacue de la chaleur vers l'extérieur (air ambiant, eau d'une rivière, d'un lac ou de la mer), via un ou plusieurs mécanismes (conduction, convection, rayonnement) et dispositifs (échangeurs à parois, utilisation d'un ou plusieurs caloporteurs...), * optionnellement il reçoit du travail, * optionnellement il échange de la chaleur avec lui-même à des étapes différentes du cycle thermodynamique, - optionnellement des appareils complémentaires permettant de faire circuler le fluide thermodynamique entre les différents appareils cités ci-dessus, et effectue un cycle ou plus généralement un enchaînement de nombreux cycles au 10 cours du temps. On exprime en général la capacité d'une machine à produire de l'énergie mécanique en termes de puissance mécanique, qui est la quantité d'énergie mécanique (travail) produite par unité de temps, c'est à dire le produit du travail fourni à l'extérieur lors d'un cycle par le nombre de cycles effectués par unité de temps. La puissance mécanique est 15 généralement délivrée sur un arbre en rotation, qui peut notamment servir à entraîner les roues d'un véhicule, l'hélice d'un navire ou d'un avion, l'alternateur d'une centrale électrique etc. Elle peut aussi être délivrée sous forme d'énergie cinétique, comme par exemple dans le cas d'un turboréacteur d'avion. La thermodynamique considère notamment la famille des transformations 20 réversibles, c'est-à-dire dont on puisse inverser le sens par une modification infiniment petite des paramètres caractérisant l'action du milieu extérieur., ou des différentes parties du système les unes sur les autres (forces mécaniques, écarts de température...). On se rapproche de ces conditions notamment lorsque le fluide thermodynamique est continûment dans un état d'équilibre statistique et que les échanges de chaleur se font 25 avec de faibles différences de température. L'énoncé de Carnot fait intervenir des sources de chaleur qu'on peut considérer comme étant des systèmes à température uniforme et qui peuvent fournir (source chaude), ou recevoir (source froide), de la chaleur sans que leur température varie : on peut les imaginer comme des corps de tres grande capacité calorifique. 30 Lorsqu'un fluide thermodynamique effectue un cycle thermodynamique moteur à deux sources de chaleur, où il échange la quantité de chaleur Q1 avec la source chaude à l.a température absolue T1, et la quantité de chaleur Q2 avec la source froide à a température absolue T2 inférieure à T1, et qu'il fournit le travail û W= 1WI (le travail W reçu par le fluide étant négatif), Q1 est positif (le système reçoit de la chaleur de a 35 source chaude) et Q2 est négatif (le système cède de la chaleur à la source froide), et le rendement i du cycle, c'est-à-dire le rapport du travail IWI fourni par le fluide thermodynamique à la quantité de chaleur QI fournie au système par la source chaude, est donné pari=/Q1=1-IQ21/Q1,où W, QI et Q2 sont liés parW+Q1+Q2=0, selon le premier principe de la thermodynamique, la transformation étant cyclique. 40 Lorsque le cycle thermodynamique est réversible (c'est-à-dire constitué d'une suite de transformations élémentaires réversibles), le rendement i est égal à i= 1 û (T2 / T1). Lorsque la transformation est irréversible, on a i < 1 û (T2/Tl). On voit que le rendement d'un cycle thermodynamique est toujours inférieur à 1, et qu'il est d'autant plus grand que T1 est grand et T2 est faible, et que le rendement le plus élevé est obtenu 45 pour les cycles réversibles, c'est-à-dire notamment dans les conditions où les sources de chaleur se comportent comme des corps à température quasi uniforme, c'est-à-dire de grande capacité calorifique et à température homogène, et où la différence de température entre le fluide thermodynamique et la source de chaleur est faible (très bons échanges thermiques). In the remainder of the text, the term "thermodynamic fluid" means a physical system (given quantity of molecules or atoms of a gas or a mixture of gases, a given quantity of a substance or a mixture of not interacting chemically with each other, under several phases - gas, liquid, critical state or supercritical - which performs thermodynamic transformations. Note that the formula dW = - PdV indicates that, for a thermodynamic fluid, in the monophasic or diphasic state, to be able to supply or receive work by the effect of the pressure forces, it is necessary that it be in a compressible state. This is the case for gases and gas-liquid or solid-gas mixtures or fluids in the supercritical state. Generally speaking, a device for producing mechanical energy from these two heat sources at different temperatures typically comprises: a primary energy source producing heat, called primary heat (hot source), a heat source; evacuate heat to the outside (cold source), a thermodynamic fluid, performing a thermodynamic cycle in apparatuses 45 or zones where: it receives, via one or more mechanisms (conduction, convection, radiation, etc.) ) and / or transfer devices, the heat generated by the primary source of heat, * it provides work outside, * it evacuates heat to the outside (ambient air, water of a river, water) a lake or the sea), via one or more mechanisms (conduction, convection, radiation) and devices (wall exchangers, use of one or more coolants ...), * optionally it receives work, * optionally it exchanges heat with itself at different stages of the thermodynamic cycle, - optionally additional devices for circulating the thermodynamic fluid between the various devices mentioned above, and carries out a cycle or more generally a sequence of many cycles over time . The capacity of a machine to produce mechanical energy in terms of mechanical power, which is the quantity of mechanical energy (work) produced per unit of time, ie the product of the work supplied, is generally expressed. outside during a cycle by the number of cycles performed per unit of time. The mechanical power is generally delivered on a rotating shaft, which can be used in particular to drive the wheels of a vehicle, the propeller of a ship or an airplane, the alternator of a power plant, etc. It can also be delivered in the form of kinetic energy, as for example in the case of an airplane turbojet engine. Thermodynamics considers, in particular, the family of reversible transformations, that is to say, whose meaning can be reversed by an infinitely small modification of the parameters characterizing the action of the external medium., Or of the different parts of the system on each other. others (mechanical forces, temperature differences ...). These conditions are approached in particular when the thermodynamic fluid is continuously in a state of statistical equilibrium and the heat exchanges take place with small differences in temperature. Carnot's statement involves sources of heat that can be considered as systems with a uniform temperature and that can provide (hot source), or receive (cold source), heat without their temperature varying: one can imagine them as bodies of great heat capacity. When a thermodynamic fluid carries out a motor thermodynamic cycle with two heat sources, where it exchanges the quantity of heat Q1 with the hot source at the absolute temperature T1, and the quantity of heat Q2 with the heat source at an absolute temperature T2 less than T1, and that it provides the work û W = 1WI (the work W received by the fluid being negative), Q1 is positive (the system receives heat from a hot source) and Q2 is negative (the system transfers heat to the cold source), and the efficiency i of the cycle, i.e. the ratio of the IWI work supplied by the thermodynamic fluid to the amount of heat IQ supplied to the system by the hot source, is given bet = / Q1 = 1-IQ21 / Q1, where W, QI and Q2 are linked byW + Q1 + Q2 = 0, according to the first principle of thermodynamics, the transformation being cyclic. When the thermodynamic cycle is reversible (that is to say constituted of a series of reversible elementary transformations), the yield i is equal to i = 1 - (T2 / T1). When the transformation is irreversible, we have i <1 û (T2 / Tl). It can be seen that the efficiency of a thermodynamic cycle is always less than 1, and that the larger T1 is large and T2 is smaller, and the higher yield is obtained for the reversible cycles, that is to say, especially in the conditions where the heat sources behave like bodies with an almost uniform temperature, that is to say of great heat capacity and with a homogeneous temperature, and where the difference of temperature between the thermodynamic fluid and heat source is weak (very good heat exchange).
Une transformation élémentaire d'un fluide thermodynamique, échangeant ou non du travail et de la chaleur avec l'extérieur, peut par exemple être représentée sous la fonte d'un arc de courbe sur le diagramme (V, P) et le diagramme (T,P), et un cycle par un ensemble d'arcs de courbes jointifs. On définit notamment les transformations élémentaires isochores, qui s'effectuent à volume constant, isobares, qui s'effectuent à pression constante, isothermes, qui s'effectuent à température constante, adiabatiques, qui s'effectuent sans échange de chaleur avec l'extérieur. Dans le cas où le fluide thermodynamique est une masse m d'un gaz parfait de masse molaire M, de chaleur massique à volume constant C, et de chaleur massique à pression constante Cl), Cp et Cä étant liés par la relation de Mayer Cp û C,, = R/M : - dans une transformation isobare où la température varie de AT, P = (mRT)/(MV) reste constante, le travail reçu par le fluide thermodynamique est AW = - (mRAT)/M et la chaleur reçue AQ = mCpAT, - dans une transfonnation isotherme T = (MPV)/(mR) reste constante, et si la pression passe de P à P+AP, le travail reçu par le fluide thermodynamique est AW=((mRT)/M)(Ln((P+AP)/P)), la quantité de chaleur reçue est égale et de signe opposé à la quantité de travail reçu, soit AQ = - AW, - dans une transformation adiabatique réversible, P\ =((mRT)/M)'/PY-'=((mRT)/M)V'-' est constant, où y = Cp/CV, le travail reçu est AW = m C,, AT, et la quantité de chaleur reçue est nulle. Certains cycles où le fluide thermodynamique reçoit ou fournit du travail et/ou de la chaleur peuvent globalement se traduire par un bilan net nul de travail et de chaleur échangés avec l'extérieur, par exemple le cycle monotherme "compression adiabatique û échauffement/refroidissement û détente adiabatique" illustré sur la figure 1, où ie fluide thermodynamique effectue une compression adiabatique D -i A, puis un échauffement isobare A -i B au sein d'un échangeur régénérateur à contre courant, puis un refroidissement isobare B - A où il restitue les calories absorbées au sein de l'échangeur régénérateur à l'étape précédente, puis une détente adiabatique A..> D, le ramenant à son état initial, et où les quantités nettes de travail et de chaleur échangées avec l'extérieur sont nulles. Parmi les cycles thermodynamiques à deux sources de chaleur et à bilan d'énergie mécanique non nul de l'état des sciences et techniques, il y a notamment les deux cycles réversibles suivants, où le fluide thermodynamique est en particulier un gaz parfait : - Le cycle de Carnot (figure 2) constitué de deux isothermes (compression isotherme D - A à la température T2 et détente isotherme B-3 C à la température Ti) et deux adiabatiques (compression A -* B et détente C -i D). Le rendement théorique d'un cycle de Carnot réversible est r1=1 û (T2/Tl). Par exemple, pour T2 = 300°K et T1=1200°K, r1= 0,75. - Le cycle d'Ericsson (figure 3) constitué de deux isothermes (compression isotherme D - A à la température T2 et détente isotherme B -C à la température Ti) et deux isobares (chauffage isobare A-3B et refroidissement isobare C'-D), et où la quantité c.e chaleur cédée pendant le refroidissement isobare C-D est utilisée intégralement pour l'échauffement isobare A-*B (échange de chaleur régénératif). Les seuls échanges de chaleur avec l'extérieur sont ceux qui se produisent au cours des transformations isothermes AB et C-*D. Le rendement théorique d'un cycle d'Ericsson réversible est r1 = 1 û (T2/T1), identique au rendement théorique du cycle de Carnot. On voit ainsi que pour obtenir des rendements élevés, proches du rendement de Carnot r1=1ûT2/T1, il faut que le fluide thermodynamique effectue un cycle dans des conditions proches de la réversibilité et où il puisse recevoiir le plus efficacement et continûment possible de la chaleur à la température chaude T1 lors d'une détente isotherme où le fluide thermodynamique fournit du travail, et céder de façon similaire de la chaleur à la température froide T2, lors d'une compression isotherme où le fluic.e thermodynamique reçoit du travail. Dans la pratique, ces cycles, qui ont le rendement thermodynamique maximum, n'ont pas fait l'objet d'applications industrielles concrètes, notamment compte tenu de ia difficulté de mettre en oeuvre les transformations isothermes (compression et détente) qui nécessiteraient, pendant les phases de détente ou de compression où le fluide thermodynamique est en contact avec des pièces mécaniques en mouvement, un échange de chaleur continu et très efficace avec un corps à chaleur massique très grande. Néanmoins, on peut bien sûr tenter d'approcher une transformation isotherme à Ja température T, par exemple une détente isotherme depuis la pression PB jusqu'à la pression Pc, par une succession de détentes adiabatiques puis de réchauffages isobares (réalisés typiquement dans des échangeurs thermiques à parois) jusqu'à la température T, tels qu'indiqués sur la figure 4, mais le nombre d'étages nécessaires est élevé. En effet, sur la base des formules précédentes, on peut établir qu'il faut à cette fin d.e nombreux échangeurs thermiques entre les étages de détente adiabatique. A titre d'illustration, pour une détente où le rapport PB/Pc est égal à 10 (pression finale égale au dixième de la pression initiale), il faut une succession d'au moins dix étapes de détente adiabatique puis réchauffage isobare (et donc dix échangeurs à parois) pour que e travail produit soit égal à au moins 90% du travail que produirait la détente isotherme entre les mêmes pressions PB et Pc. D'autres cycles à deux sources de chaleur sont à la base des applications industrielles existantes mises en oeuvre à grande échelle. Ce ne sont pas des cycles à deux sources de chaleur isothermes proprement dits car les échanges thermiques avec les sources chaude et froide ne se font pas à une température constante, mais ils font intervenir un apport de chaleur à température élevée et un relâchement de chaleur vers l'extérieur à température plus basse. Il s'agit notamment des cycles suivants, où le fluide thermodynamique est à l'état gazeux dans toutes les étapes du cycle thermodynamique : - Le cycle de Brayton (figure 5) constitué de deux adiabatiques (compression D 4 A et détente B -~ C) et deux isobares (échauffement A 4 B à la pression PA = PB et refroidissement C 4 D à la pression PD = Pc). Le rendement théorique d'un cycle de Brayton réversible effectué par un gaz parfait est donné par r1=1 ù (PA/PD){y-loir. - Le cycle de Otto ou Beau de Rochas constitué de deux adiabatiques (compression et détente) et deux isochores (échauffement et refroidissement). - Le cycle de Diesel constitué d'une compression adiabatique, d'un échauffement isobare, d'une détente adiabatique et d'un refroidissement isochore. An elementary transformation of a thermodynamic fluid, whether or not exchanging work and heat with the outside, can for example be represented under the melting of a curve arc on the diagram (V, P) and the diagram (T , P), and a cycle by a set of contiguous curve arcs. In particular, the isochoric elementary transformations, which are carried out at constant volume, isobars, which are carried out at constant pressure, isotherms, which are carried out at a constant temperature, adiabatic, which are carried out without heat exchange with the outside, are defined. . In the case where the thermodynamic fluid is a mass m of a perfect gas of molar mass M, of constant volume constant heat C, and of constant pressure constant heat Cl), Cp and Ca being linked by the relation of Mayer Cp û C ,, = R / M: - in an isobaric transformation where the temperature varies from AT, P = (mRT) / (MV) remains constant, the work received by the thermodynamic fluid is AW = - (mRAT) / M and the received heat AQ = mCpAT, - in an isothermal transformation T = (MPV) / (mR) remains constant, and if the pressure goes from P to P + AP, the work received by the thermodynamic fluid is AW = ((mRT) / M) (Ln ((P + AP) / P)), the quantity of heat received is equal and of opposite sign to the quantity of work received, ie AQ = - AW, - in a reversible adiabatic transformation, P \ = ((mRT) / M) '/ PY -' = ((mRT) / M) V'- 'is constant, where y = Cp / CV, the received work is AW = m C ,, AT, and the quantity of received heat is zero. Certain cycles in which the thermodynamic fluid receives or provides work and / or heat can globally result in a net zero balance of work and heat exchanged with the outside, for example the monothermal cycle "adiabatic compression - heating / cooling". adiabatic expansion "illustrated in Figure 1, wherein the thermodynamic fluid performs an adiabatic compression D -i A, then an isobaric heating A -i B in a countercurrent regenerative heat exchanger, and isobaric cooling B - A where it restores the calories absorbed within the regenerative exchanger in the previous step, then adiabatic relaxation A ..> D, bringing it back to its initial state, and where the net quantities of work and heat exchanged with the outside are zero. Among the thermodynamic cycles with two sources of heat and with a balance of non-zero mechanical energy of the state of the sciences and techniques, there are in particular the two following reversible cycles, where the thermodynamic fluid is in particular a perfect gas: Carnot cycle (Figure 2) consisting of two isotherms (isothermal compression D - A at T2 temperature and isothermal expansion B-3 C at temperature Ti) and two adiabatic (compression A - * B and relaxation C -i D). The theoretical yield of a reversible Carnot cycle is r1 = 1 - (T2 / Tl). For example, for T2 = 300 ° K and T1 = 1200 ° K, r1 = 0.75. - The Ericsson cycle (Figure 3) consisting of two isotherms (isothermal compression D - A at T2 temperature and isothermal expansion B -C at temperature Ti) and two isobars (isobaric heating A-3B and isobaric cooling C'- D), and where the quantity this heat yielded during isobaric cooling CD is used integrally for isobaric heating A- * B (regenerative heat exchange). The only heat exchanges with the outside are those occurring during the isothermal AB and C- * D transformations. The theoretical yield of a reversible Ericsson cycle is r1 = 1 û (T2 / T1), identical to the theoretical yield of the Carnot cycle. It can thus be seen that in order to obtain high yields, close to the yield of Carnot r1 = T1t / T1, the thermodynamic fluid must cycle under conditions close to reversibility and where it can receive the most efficiently and continuously heat at the hot temperature T1 during an isothermal expansion where the thermodynamic fluid provides work, and similarly yield heat to the cold temperature T2, during an isothermal compression where the thermodynamic fluid receives work. In practice, these cycles, which have the maximum thermodynamic efficiency, have not been the subject of concrete industrial applications, especially in view of the difficulty of implementing the isothermal transformations (compression and relaxation) which would require, during the expansion or compression phases where the thermodynamic fluid is in contact with moving mechanical parts, a continuous and very efficient heat exchange with a very large mass-heat body. Nevertheless, it is of course possible to approach an isothermal transformation at a temperature T, for example an isothermal expansion from the pressure PB up to the pressure Pc, by a succession of adiabatic detents and then isobaric reheating (typically carried out in exchangers thermals with walls) up to the temperature T, as indicated in FIG. 4, but the number of necessary stages is high. In fact, on the basis of the preceding formulas, it can be established that for this purpose there are numerous heat exchangers between the adiabatic expansion stages. By way of illustration, for a relaxation where the ratio PB / Pc is equal to 10 (final pressure equal to one-tenth of the initial pressure), a succession of at least ten stages of adiabatic expansion and then isobaric reheating (and therefore ten wall exchangers) so that the work produced is equal to at least 90% of the work that would be produced by the isothermal expansion between the same pressures PB and Pc. Other cycles with two heat sources are at the basis of existing industrial applications implemented on a large scale. These are not cycles with two isothermal heat sources per se, because the thermal exchanges with the hot and cold springs are not done at a constant temperature, but they involve a heat input at a high temperature and a release of heat towards the outside at a lower temperature. These include the following cycles, where the thermodynamic fluid is in the gaseous state in all stages of the thermodynamic cycle: - The Brayton cycle (Figure 5) consists of two adiabatic (compression D 4 A and relaxation B - ~ C) and two isobars (heating A 4 B at pressure PA = PB and cooling C 4 D at pressure PD = Pc). The theoretical yield of a reversible Brayton cycle carried out by a perfect gas is given by R1 = 1 (PA / PD). - The cycle of Otto or Beau de Rochas consists of two adiabatic (compression and relaxation) and two isochores (heating and cooling). - Diesel cycle consisting of adiabatic compression, isobaric heating, adiabatic expansion and isochoric cooling.
Ces trois cycles, où le fluide thermodynamique est un gaz, comportent une phase de compression et donc leur mise en oeuvre nécessite un appareil de compression, où le fluide thermodynamique reçoit du travail. Lorsqu'on utilise comme fluide thermodynamique un corps à l'état liquide à la température basse du cycle et de vapeur à la température haute, il n'est pas nécessaire de mettre en oeuvre un appareil de compression fournissant du travail au fluide thermodynamique (la mise en pression s'effectuent en phase liquide, donc quasiment sans apport de travail extérieur). Le cycle typique utilisant un fluide thermodynamique avec changement de phase liquide ù gaz est généralement appelé cycle de Rankine lorsque la vapeur reste à l'état saturé et cycle de Hirn lorsqu'il y a surchauffe de la vapeur. Dans la suite du texte on désigne indifféremment un cycle à vapeur de Rankine ou de Hirn par l'appellation "cycle de Rankine û Hirn". Le fluide thermodynamique liquide, à la pression haute du cycle, est vaporisé, optionnellement surchauffé, par la chaleur provenant de la source de chaleur primaire, effectue ensuite une détente adiabatique, puis se condense à la pression basse du cycle en cédant de la chaleur à la source froide, et est ensuite comprimé à l'état liquide pour entamer un nouveau cycle. Les appareils de détente peuvent optionnellement comporter: - des sous û tirages permettant de récupérer le fluide thermodynamique passant à l'état liquide en cours de détente, et qui sera ensuite re-mélangé avec le flux principal, - des réchauffages de la vapeur en cours de détente, par des sous û tirages de vapeur plus chaude. Notons que les sens de parcours des cycles présentés plus haut sont ceux d'un système moteur générateur d'énergie mécanique, recevant de la chaleur à température haute et cédant de la chaleur à température basse. Lorsque parcourus en sens inverse, ces mêmes cycles thermodynamique peuvent être utilisés par des systèmes, consommant cle l'énergie mécanique, tels que pompes à chaleur ou systèmes de réfrigération, recevant de la chaleur à température basse et cédant de la chaleur à température haute. Le cycle de Rankine - Hirn est couramment utilisé avec l'eau comme fluide thermodynamique pour produire de l'énergie mécanique à partir de la chaleur. Tous ces cycles (Brayton, Otto, Diesel, Rankine - Hirn) ont un rendement théorique inférieur à celui d'un cycle de Carnot ou de Ericsson évoluant entre les mêmes températures minimales et maximales. Notons que le cycle mixte compression isotherme D û* A, échauffement isobare A -+ B, détente adiabatique B -+ C, refroidissement isobare C -* D, illustré sur la figure 6, a généralement un rendement inférieur à celui du cycle de Brayton effectué entre les mêmes températures et pressions minimales et maximales, et un tel cycle ne paraît pas attractif par rapport au cycle de Brayton, du point de vue du rendement thermodynamique. These three cycles, where the thermodynamic fluid is a gas, comprise a compression phase and therefore their implementation requires a compression apparatus, where the thermodynamic fluid receives work. When a body in the liquid state at the low temperature of the cycle and the vapor at the high temperature is used as a thermodynamic fluid, it is not necessary to use a compression apparatus providing work for the thermodynamic fluid (the pressurization are carried out in the liquid phase, so almost without any external work). The typical cycle using a thermodynamic fluid with change of liquid phase to gas is generally called a Rankine cycle when the vapor remains in the saturated state and Hirn cycle when there is superheating of the steam. In the remainder of the text, a Rankine or Hirn steam cycle is referred to indifferently as the "Rankine-Hirn cycle". The liquid thermodynamic fluid, at the high pressure of the cycle, is vaporized, optionally superheated, by the heat coming from the primary heat source, then performs an adiabatic expansion, then condenses at the low pressure of the cycle by giving up heat to the cold source, and is then compressed in the liquid state to start a new cycle. The expansion devices may optionally include: - sub-runs to recover the thermodynamic fluid passing in the liquid state during relaxation, and which will then be re-mixed with the main flow, - steam heating in progress relaxing, by subtraction of hot steam. It should be noted that the direction of travel of the cycles presented above are those of a motor system generating mechanical energy, receiving heat at high temperature and yielding heat at low temperature. When traversed in the opposite direction, these same thermodynamic cycles can be used by systems, consuming mechanical energy, such as heat pumps or refrigeration systems, receiving heat at low temperature and yielding heat at high temperature. The Rankine - Hirn cycle is commonly used with water as a thermodynamic fluid to produce mechanical energy from heat. All these cycles (Brayton, Otto, Diesel, Rankine - Hirn) have a theoretical yield lower than that of a Carnot or Ericsson cycle evolving between the same minimum and maximum temperatures. It should be noted that the mixed isothermal compression cycle D û * A, isobaric heating A - + B, adiabatic expansion B - + C, isobaric cooling C - * D, illustrated in FIG. 6, generally has a lower yield than that of the Brayton cycle. between the same temperatures and minimum and maximum pressures, and such a cycle does not appear attractive compared to the Brayton cycle, from the point of view of thermodynamic efficiency.
Les cycles de Beau de Rochas ou Otto et de Diesel sont à la base théorique des moteurs à explosion (déclenchée dans le cas des moteurs à essence basés sur le cycle de Otto, auto - ignitiée dans le cas des moteurs Diesel) constitués de machines à pistons alternatifs, qui équipent un très grand nombre de véhicules terrestres. Le cycle de Brayton représente la base des turbomachines thermiques à combustion interr e notamment les turbünes à gaz pour production d'électricité, et les turboréacteurs pour la propulsion des avions. Ces machines, où le fluide thermodynamique est l'air, et fonctionnant en cycle ouvert (l'étape de refroidissement à pression basse s'effectuant à l'extérieur de la machine), sont dites à combustion interne, parce que la chaleur primaire se dégage directement au sein du fluide thermodynamique. Ces systèmes sont caractérisés par leur simplicité, compacité et souvent légèreté, les rendant particulièrement adaptés à la propulsion de véhicules. Ils présentent néanmoins des spécificités et des limitations : - La source d'énergie primaire produisant de la chaleur consiste en des réactions chimiques de combustion de carburants très spécifiques, des hydrocarbures liquides (essence, gazole, ...) ou gazeux (méthane.) avec l'oxygène contenu dans l'air ambiant, qui est à la fois le fluide thermodynamique et le contenant du comburant, l'oxygène, qui n'est en général que partiellement consommé. Ceci est notamment lié au fait que la quantité de chaleur Q, à recevoir par le fluide thermodynamique effectuant un cycle thermodynamique dans une gamme de température usuellement réalisable (typiquement Tl inférieure à 1300°K et T2 inférieure à 320°K) est sensiblement inférieure à la quantité de chaleur qui serait dégagée par la combustion complète de l'oxygène de l'air avec l'hydrocarbure (sinon la température pourrait être proche de la température de flamme, généralement supérieure à 2000°K). Par exemple, dans un cycle de Brayton (figure 5) avec les valeurs suivantes TD = 300°K, TB = 1200°K, PD = 105 Pa (pression atmosphérique), PA == 7x105 Pa, et où la chaleur primaire est produite par la combustion de méthane dans T'oxygène de l'air, environ un quart seulement de l'oxygène est consommé par les réactions de combustion. Ainsi, dans les conditions où la combustion de l'oxygène est incomplète, c'est seul l'ajustement précis de la quantité de carburant introduit en mélange avec l'air qui permet d'assurer un dégagement de chaleur QI exactement égal à la valeur requise par le cycle thermodynamique. - Ces hydrocarbures doivent avoir ainsi des caractéristiques très précises, reproductibles et stables, être aptes à être introduits dans des proportions très précisément dosées, avant ou pendant la combustion, à être intimement et très rapidement atomisés et/ou vaporisés et/ou mélangés sous forme gazeuse avec l'air prélevé dans l'atmosphère ambiant, et consumés très efficacement et rapidement, et ceci afin d'assurer des réactions de combustion et un dégagement de chaleur maîtrisés et précisément égal à la quantité de chaleur QI nécessaire à chaque cycle pour produire le travail mécanique I W I demandé à la machine. Ceci nécessite des réglages très précis, spécifiques au type de carburant utilisé. En effet toute la chaleur primaire est reçue par l'air utilisé dans le cycle thermodynamique, et sa chaleur volumique, c'est à dire le produit de sa chaleur massique par sa masse volumique, est faible, ce qui fait qu'une faible variation de la quantité de carburant introduit, et de la chaleur dégagée, peut induire une variation immédiate très importante de la température. Ceci est important afin d'éviter des températures excessives de l'air de combustion, qui provoqueraient des températures excessives des matériaux des composants des machines, qui conduiraient à leur détérioration, ou des réactions chimiques secondaires indésirables. En particulier, si la température dépassait 1500°K à 1600°K, l'oxydation de l'azote de l'air provoquerait la formation de quantités trop importantes d'oxydes d'azote NOx, dont le rejet dans l'atmosphère ambiant a un impact néfaste pour l'environnement. La maîtrise des réactions de combustion est nécessaire aussi pour éviter, notamment dans le cas des moteurs à explosion, des réactions par trop détonantes qui endommageraient les composants du système, ou induirait des niveaux sonores excessifs. Il est aussi nécessaire d'assurer continûment, par des dispositions constructives, le déclenchement ou le maintien des réactions de combustion. - Globalement, les systèmes à combustion interne ne présentent donc pas ou peu cie flexibilité vis-à-vis de la source de chaleur primaire, et ne peuvent pas être appliqués en l'état à d'autres sources d'énergie primaire. Notamment un tel fonctionnement n'est pas envisageable en l'état avec des combustibles carbonés solides fragmentés (grossièrement ou finement), dont la nature discontinue, la durée de combustion, la dispersion des caractéristiques et l'inaptitude à se mélanger intimement avec l'air par vaporisation, induisent nécessairement des variations significatives des conditions d'introduction et ce combustion dans la chambre de réaction. - Le rendement thermodynamique théorique des cycles de Brayton, Otto ou Diesel, sur lesquels sont basées les machines à combustion interne, est inférieur à celui d'un cycle de Ericsson ou de: Carnot évoluant entre les mêmes températures minimales et maximales. - Le rendement réel de ces machines est lui-même sensiblement inférieur au rendement théorique du cycle sur lesquels ils sont basés (Otto, Diesel, Brayton). Ceci est notamment dû au caractère fortement irréversible des transformations, notamment la phase d'échauffement où par exemple dans un cycle de Brayton (figure 5) le fluide thermodynamique passe extrêmement rapidement de la température TA à la température TB, aux quantités d'énergie perdues avec l'air de combustion rejeté, aux frottements des pièces mécaniques, au fait que, notamment de par l'utilisation d'appareils alternatifs à piston dans la mise en oeuvre des cycles de Otto et Diesel., le cycle réel n'est pas effectué entre les points extrêmes théoriques et selon les chemins exacts du diagramme thermodynamique théorique. Globalement les machines à combustion interne à cycle thermodynamique à l'air 10 (moteurs à explosion, turbines à gaz...) ont des rendements thermodynamiques de l'ordre de 0,2 à 0,4. Outre les machines à combustion interne, une autre catégorie de machines, industriellement très répandues, sont les machines à apport de chaleur externe (dites à combustion externe dans le cas où la source d'énergie générant la chaleur primaire est 15 basée sur des réactions chimiques de combustion de l'oxygène), où la chaleur primaire est transférée au fluide thermodynamique à travers les parois d'un échangeur de chaleur, ce qui permet d'utiliser des sources primaires d'énergie variées. La plupart des applications mettent en oeuvre des systèmes utilisant des turbines à vapeur, basés sur un cycle de Rankine-Hirn, où l'eau est le fluide thermodynamique. 20 Ces machines présentent à leur tour des spécificités et des limitations, notamment: - elles utilisent, pour le transfert à température élevée vers le fluide thermodynamique de la chaleur provenant de la source chaude, un ou plusieurs échangeurs à parois, présentant généralement une différence de pression significative de part et d'autre de cers parois, et : 25 * qui ont une surface d'échange, par unité de volume, nécessairement limitée, et peuvent donc occuper un volume important si on veut avoir une grande surface d'échange, * où les échanges thermiques sont limités, outre par la surface d'échange, par la nature et l'état physique (liquide, gazeux, diphasique...) des fluides circulant de part et d'autre 30 des parois, et les caractéristiques thermo hydrauliques de leur écoulement, et peuvent se dégrader au cours du temps, notamment à cause des phénomènes d'encrassement des parois, * qui peuvent être parfois des composants de grande taille, parfois complexes à fabriquer et lourds, ce qui peut en limiter ou contraindre les utilisations, sachant que des 35 parties importantes du circuit fonctionnent à des pressions qui peuvent être élevées, ce qui nécessite des épaisseurs de matériaux importantes, et qui peuvent être soumis à des sollicitations importantes, thermiques, mécaniques ou physico û chimiques (corrosion, dépôts...); - elles utilisent généralement le cycle de Rankine û Hirn qui a rendement inférieur au 40 rendement d'un cycle de Ericsson ou de Carnot. Globalement ces systèmes ont généralement un rendement thermodynamique de l'ordre de 0,3 à 0,4. The cycles of Beau de Rochas or Otto and Diesel are the theoretical basis of the combustion engines (triggered in the case of gasoline engines based on the Otto cycle, self - ignited in the case of diesel engines) consisting of diesel engines. reciprocating pistons, which equip a very large number of land vehicles. The Brayton cycle represents the basis of inter-combustion thermal turbomachines, in particular gas turbines for electricity production, and turbojets for the propulsion of aircraft. These machines, where the thermodynamic fluid is air, and operating in open cycle (the cooling stage at low pressure being effected outside the machine), are called internal combustion, because the primary heat is releases directly into the thermodynamic fluid. These systems are characterized by their simplicity, compactness and often lightness, making them particularly suitable for the propulsion of vehicles. They nevertheless have specificities and limitations: - The source of primary energy producing heat consists of chemical reactions of combustion of very specific fuels, liquid hydrocarbons (gasoline, diesel, ...) or gaseous (methane.) with the oxygen contained in the ambient air, which is both the thermodynamic fluid and the oxidant container, oxygen, which is generally only partially consumed. This is particularly related to the fact that the amount of heat Q, to be received by the thermodynamic fluid performing a thermodynamic cycle in a generally achievable temperature range (typically T1 less than 1300 ° K and T2 less than 320 ° K) is substantially less than the amount of heat that would be released by the complete combustion of oxygen in the air with the hydrocarbon (otherwise the temperature could be close to the flame temperature, generally above 2000 ° K). For example, in a Brayton cycle (Figure 5) with the following values TD = 300 ° K, TB = 1200 ° K, PD = 105 Pa (atmospheric pressure), PA == 7x105 Pa, and where the primary heat is produced by the combustion of methane in the oxygen of the air, only about a quarter of the oxygen is consumed by the combustion reactions. Thus, under the conditions in which the combustion of oxygen is incomplete, it is only the precise adjustment of the quantity of fuel introduced in admixture with the air which makes it possible to ensure a heat release QI exactly equal to the value required by the thermodynamic cycle. These hydrocarbons must thus have very precise, reproducible and stable characteristics, be able to be introduced in very precisely proportioned proportions, before or during combustion, to be intimately and very rapidly atomized and / or vaporized and / or mixed in the form of gaseous with the air taken from the ambient atmosphere, and consumed very efficiently and quickly, and this to ensure controlled combustion reactions and heat release and precisely equal to the amount of heat IQ required for each cycle to produce the mechanical work IWI asked the machine. This requires very precise adjustments, specific to the type of fuel used. Indeed all the primary heat is received by the air used in the thermodynamic cycle, and its volume heat, ie the product of its specific heat by its density, is weak, which makes a small variation the amount of fuel introduced, and the heat released, can induce a very important immediate change in temperature. This is important in order to avoid excessive temperatures of the combustion air, which would cause excessive temperatures of the materials of the machine components, which would lead to their deterioration, or undesirable side chemical reactions. In particular, if the temperature exceeds 1500 ° K at 1600 ° K, the oxidation of the nitrogen of the air would cause the formation of too large quantities of nitrogen oxides NOx, whose discharge into the ambient atmosphere has a negative impact on the environment. The control of combustion reactions is also necessary to avoid, especially in the case of internal combustion engines, reactions that are too detonating and damage the system components, or induce excessive sound levels. It is also necessary to ensure continuously, by constructive arrangements, the initiation or maintenance of combustion reactions. Overall, the internal combustion systems therefore have little or no flexibility with respect to the primary heat source, and can not be applied as is to other primary energy sources. In particular, such an operation can not be envisaged in the state with fragmented solid carbonaceous fuels (coarsely or finely), the discontinuous nature of which, the burning time, the dispersion of the characteristics and the inability to mix intimately with the air by vaporization, necessarily induce significant variations in the conditions of introduction and combustion in the reaction chamber. - The theoretical thermodynamic efficiency of the Brayton, Otto or Diesel cycles, on which the internal combustion machines are based, is lower than that of an Ericsson or Carnot cycle operating between the same minimum and maximum temperatures. - The actual performance of these machines is itself significantly lower than the theoretical yield of the cycle on which they are based (Otto, Diesel, Brayton). This is in particular due to the highly irreversible character of the transformations, in particular the heating phase where for example in a Brayton cycle (FIG. 5) the thermodynamic fluid moves extremely rapidly from the temperature TA to the temperature TB, to the quantities of energy lost. with the combustion air rejected, the friction of the mechanical parts, the fact that, in particular by the use of reciprocating piston apparatus in the implementation of the Otto and Diesel cycles, the actual cycle is not between the theoretical extreme points and the exact paths of the theoretical thermodynamic diagram. Overall internal combustion machines with thermodynamic cycle in the air 10 (combustion engines, gas turbines, etc.) have thermodynamic efficiencies of the order of 0.2 to 0.4. In addition to the internal combustion machines, another category of machines, industrially widespread, are external heat supply machines (so-called external combustion in the case where the source of energy generating the primary heat is based on chemical reactions oxygen combustion), where the primary heat is transferred to the thermodynamic fluid through the walls of a heat exchanger, allowing the use of various primary sources of energy. Most applications involve systems using steam turbines, based on a Rankine-Hirn cycle, where water is the thermodynamic fluid. These machines in turn have specificities and limitations, in particular: they use, for the high temperature transfer to the thermodynamic fluid of the heat coming from the hot source, one or more wall exchangers, generally having a difference in temperature. significant pressure on both sides of the walls, and 25 * which have an exchange surface, per unit volume, necessarily limited, and can therefore occupy a large volume if one wants to have a large exchange surface, where the heat exchanges are limited, besides by the exchange surface, by the nature and the physical state (liquid, gaseous, diphasic, etc.) of the fluids circulating on both sides of the walls, and the characteristics thermohydraulic flow, and can degrade over time, particularly because of fouling phenomena of the walls, * which can sometimes be large components, sometimes com This can limit or constrain the use of heavy and heavy plexes, since large parts of the circuit operate at pressures that can be high, which require large material thicknesses, and may be subject to stress. important, thermal, mechanical or physico-chemical (corrosion, deposits ...); they generally use the Rankine-Hirn cycle which has a yield lower than the yield of a cycle of Ericsson or Carnot. Overall, these systems generally have a thermodynamic efficiency of the order of 0.3 to 0.4.
Globalement, pour améliorer les performances et les rendements des systèmes 45 thermodynamiques moteurs de l'état des techniques, notamment pour se rapprocher des principes de base de la thermodynamique et du rendement de Carnot, les voies peuvent être en particulier les suivantes: - pouvoir réaliser des transformations thermodynamiques réversibles et quasi isothermes à la température haute et à la température basse du cycle, c'est à dire dans des conditions où la. source chaude et/ou la source froide sont assimilables à des corps de très grande capacité calorifique, - éviter les transformations irréversibles, notamment à cinétique très rapide, et en particulier: * maîtriser les réactions générant la chaleur primaire de façon à ce qu'elles se produisent avec progressivité, * effectuer les échauffements û refroidissements de façon progressive, avec des écarts de températures faibles. D'autre part, pour pouvoir mettre en oeuvre des cycles thermodynamiques à combustion interne, ou avec des réactions chimiques générant la chaleur primaire plus générales que la combustion de matières carbonées avec l'oxygène, - où le fluide thermodynamique est de l'air et est impliqué dans les réactions chimiques via l'oxygène qu'il contient, et où la quantité de chaleur primaire, qui serait produite par les réactions lors d'une consommation complète de l'oxygène contenu dans l'air, est supérieure à la quantité de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique, - et avec des réactifs qui ne peuvent pas être intimement et très rapidement vaporises et/ou mélangés sous forme gazeuse avec l'air et/ou non aisément dosables dans leur mise en mélange avec l'air, par exemple des matières solides fragmentées, il est nécessaire de mettre en oeuvre des dispositions particulières, concernant notamment la génération et/ou l'utilisation de la chaleur primaire. Ces dispositions peuvent être en particulier choisies parmi les suivantes: - maîtriser et stabiliser efficacement les réactions et la température dans la zone cle réaction, où l'oxygène est partiellement consommé, et atténuer de façon importante, par des moyens ou processus appropriés, les variations temporelles de la température dans la zone de dégagement de la chaleur primaire, lorsque les variations temporelles de [a puissance thermique dégagée peuvent être importantes, en particulier lorsque les quantités de réactifs introduits peuvent présenter des variations au cours du temps, - recycler, dans le cycle thermodynamique et en amont de la chambre de réaction, une partie significative de l'air résultant des réactions, et donc appauvri en oxygène, en en régulant la quantité afin de maîtriser la quantité de chaleur dégagée via la limitation de la quantité d'oxygène disponible en entrée de la chambre de réaction, où l'oxygène utilisable est entièrement consommé, - réaliser la consommation complète de l'oxygène disponible, générant une quantité de chaleur supérieure à celle nécessaire pour un seul cycle thermodynamique, et utiliser a totalité de la chaleur primaire générée dans au moins deux cycles thermodynamiques distincts. A ces fins, le dispositif et procédé de l'invention met en oeuvre la mise en mélange d'un fluide thermodynamique avec d'autres fluides, incompressibles et à chaleur volumique élevée, à certaines étapes d'un cycle thermodynamique, et dans des conditions qualitatives et quantitatives précises, qui vont être présentées plus loin. L'état des techniques fait appel dans certains cas à l'échange de chaleur par contact direct entre un liquide et un gaz dans un système thermodynamique produisant de l'énergie mécanique, mais dans des conditions différentes du champ et des revendications de la présente invention. Overall, to improve the performances and the yields of the state-of-the-art thermodynamic engine systems, in particular to approximate the basic principles of thermodynamics and Carnot efficiency, the routes can be in particular the following: reversible and quasi isothermal thermodynamic transformations at the high temperature and the low temperature of the cycle, that is to say under conditions where the. hot source and / or the cold source can be assimilated to bodies with a very high heat capacity, - avoid irreversible transformations, in particular with very fast kinetics, and in particular: * control the reactions generating the primary heat so that they occur with progressivity, * carry out heating and cooling in a progressive manner, with small temperature differences. On the other hand, to be able to implement thermodynamic cycles with internal combustion, or with chemical reactions generating the primary heat more general than the combustion of carbonaceous materials with oxygen, - where the thermodynamic fluid is air and is involved in the chemical reactions via the oxygen it contains, and where the amount of primary heat, which would be produced by the reactions during a complete consumption of the oxygen contained in the air, is greater than the quantity heat required for the thermodynamic cycle, and with reagents which can not be intimately and very quickly vaporized and / or mixed in gaseous form with air and / or not easily dosable in their mixing with air, by In the case of fragmented solids, it is necessary to implement special provisions, particularly concerning the generation and / or use of primary heat. These arrangements can be chosen in particular from the following: - effectively control and stabilize the reactions and the temperature in the reaction zone, where the oxygen is partially consumed, and significantly attenuate, by appropriate means or processes, the variations temporal variations of the temperature in the primary heat release zone, when the temporal variations of the thermal power released can be significant, in particular when the quantities of reagents introduced may exhibit variations over time, - recycle, in the thermodynamic cycle and upstream of the reaction chamber, a significant part of the air resulting from the reactions, and therefore depleted of oxygen, by regulating the amount in order to control the amount of heat released via the limitation of the amount of oxygen available at the inlet of the reaction chamber, where the usable oxygen is fully t consumed, - achieve the complete consumption of available oxygen, generating a greater amount of heat than that required for a single thermodynamic cycle, and use all of the primary heat generated in at least two distinct thermodynamic cycles. For these purposes, the device and method of the invention implements the mixing of a thermodynamic fluid with other fluids, incompressible and high volumetric heat, at certain stages of a thermodynamic cycle, and under conditions qualitative and quantitative, which will be presented later. The state of the art uses in some cases heat exchange by direct contact between a liquid and a gas in a thermodynamic system producing mechanical energy, but under conditions different from the scope and claims of the present invention. .
Ainsi par exemple dans le cas des tours de refroidissement air atmosphérique û eau d'une source froide (rivière, lac...) d'une centrale de production d'électricité à partir de la chaleur, il s'agit d'accroître la capacité d'évacuation de la chaleur du cycl e thermodynamique au niveau de la source froide, et de limiter l'élévation de température de l'eau prélevée et restituée à l'environnement, par un contact direct entre l'air atmosphérique et l'eau liquide utilisée comme fluide source froide. Il ne s'agit donc pas de mise en mélange avec le fluide thermodynamique générant de l'énergie mécanique. Une méthode de compression ou de détente quasi isotherme d'un gaz par mise en contact avec un liquide est décrite par N.C. Christensen en 1933 dans le brevet US Patent 1 929 350 et par H.F. Parker en 1942 dans le brevet US Patent 2 280 845. Aucun de ces brevets ne 1présente un dispositif thermodynamique de production d'énergie mécanique à partir de la chaleur. Les deux brevets US Patent 2007/0074533 et 4 984 432 décrivent l'utilisation du mélange entre un liquide et un gaz utilisé comme fluide thermodynamique pour réaliser un cycle thermodynamique, notamment comportant une détente et une compression proches des conditions isothermes, et réaliser ainsi un cycle proche du cycle de Ericsson. Les descriptions de ces deux brevets sont positionnées sur des systèmes thermodynamiques récepteurs de travail, c'est à dire des machines de réfrigération, avec notamment l'objectif de remplacer l'utilisation de chlorofluorocarbures (CFC) comme fluide thermodynamique: dans ces machines, qui fonctionnent à des températures assez basses, comme peuvent l'indiquer les liquides (eau, huiles minérales ou végétales...), les applications citées et l'absence de description de la source chaude de chaleur. Les conditions quantitatives d'introduction, mise en présence, et évacuation du fluide incompressible vis à vis d'un fluide thermodynamique, nécessaires pour réaliser une détente ou une compression quasi isotherme, ne sont pas établies ni présentées dans ces brevets. Le brevet US Patent 4 984 432 s'appuie sur la mise en oeuvre de la compression et de la détente d'un gaz accompagné d'un liquide dans un appareil volumétrique spécifique, dit à anneau liquide. Ce type d'appareil véhicule, en même temps que le gaz à comprimer ou détendre, des quantités très importantes de liquide centrifugé en périphérie (et donc non opérant pour les échanges thermiques avec le gaz), nécessitant des puissances de pompage qui peuvent devers r très importantes. De plus, ce type d'appareil peut être limité en rapport de compression ou détente, et en débit de gaz. Les compresseurs ou détendeurs à anneau liquide ne sont pas considérés dans le dispositif et procédé de la présente invention. Le brevet US Patent 2007/0074533 s'appuie la mise en oeuvre de la compression et de la détente d'un gaz accompagné d'un liquide dans des appareils volumétriques rotatifs à un seul axe de rotation de type particulier, dits à spirale (qui ne comportent pas de dispositions de recirculation et/ou de remise en mélange du liquide s'étant séparé de son mélange avec le gaz), en introduisant, en une seule fois et à l'entrée de l'appareil, un mélange préformé de brouillard de liquide dans le gaz. Notre analyse est que, compte tenu de la configuration géométrique des compresseurs ou détendeurs à un seul axe de rotation, notamment à spirales, et de leurs conditions d'utilisation dans le brevet US Patent 2007/0074533, la force centrifuge sépare rapidement les deux phases et la surface et les échanges thermiques se réduisent considérablement à mesure de la transformation, compression ou détente, les rendant peu adaptés à la mise en oeuvre d'une compression ou d'une détente quasi isotherme d'un gaz en contact avec un liquide. L'utilisation de dispositifs de compression d'un gaz thermodynamique mis en mélange avec un liquide incompressible, à un seul axe et sens de rotation, qui ne comporterait pas de dispositions de recirculation et/ou de remise en mélange du liquide s'étant séparé de son mélange avec. le gaz thermodynamique, par l'effet de la force centrifuge, et où le mélange gaz thermodynamique ù liquide incompressible serait introduit en une seule fois à l'entrée et maintenu à l'intérieur du dispositif de compression, n'est pas considérée pour cette fonction dans le dispositif et procédé de la présente invention. For example, in the case of cooling towers for atmospheric air - water from a cold source (river, lake, etc.) - of a power plant producing electricity from heat, the aim is to increase ability to evacuate heat from the thermodynamic cycle at the cold source, and to limit the rise in temperature of the water withdrawn and returned to the environment, by direct contact between the atmospheric air and the liquid water used as cold source fluid. It is therefore not a question of mixing with the thermodynamic fluid generating mechanical energy. A method of compressing or substantially isothermal expansion of a gas by contact with a liquid is described by NC Christensen in 1933 in US Patent 1,929,350 and by HF Parker in 1942 in US Patent 2,280,845. None of these patents has a thermodynamic device for producing mechanical energy from heat. The two patents US Patent 2007/0074533 and 4 984 432 describe the use of the mixture between a liquid and a gas used as a thermodynamic fluid to perform a thermodynamic cycle, in particular with a relaxation and compression close to the isothermal conditions, and thus achieve a cycle close to the Ericsson cycle. The descriptions of these two patents are positioned on thermodynamic systems working receivers, ie refrigeration machines, with the particular objective of replacing the use of chlorofluorocarbons (CFCs) as a thermodynamic fluid: in these machines, which operate at fairly low temperatures, as indicated by liquids (water, mineral or vegetable oils ...), the applications cited and the lack of description of the heat source. The quantitative conditions of introduction, placing in presence, and evacuation of the incompressible fluid with respect to a thermodynamic fluid, necessary for effecting an almost isothermal expansion or compression, are not established or presented in these patents. The patent US Pat. No. 4,984,432 is based on the implementation of the compression and the expansion of a gas accompanied by a liquid in a specific volumetric apparatus, called a liquid ring. This type of device conveys, at the same time as the gas to be compressed or expanded, very large quantities of liquid centrifuged at the periphery (and therefore not operative for heat exchange with the gas), requiring pumping powers which can be rerun. very important. In addition, this type of device can be limited compression ratio or relaxation, and gas flow. Liquid ring compressors or expansion valves are not considered in the device and method of the present invention. The patent US Patent 2007/0074533 supports the implementation of the compression and the expansion of a gas accompanied by a liquid in rotary volumetric apparatus with a single axis of rotation of particular type, called spiral (which do not include arrangements for recirculating and / or mixing the liquid separated from its mixture with the gas), by introducing, at once and at the inlet of the apparatus, a preformed mixture of fog of liquid in the gas. Our analysis is that, given the geometric configuration of compressors or expansions with a single axis of rotation, in particular with spirals, and their conditions of use in patent US Patent 2007/0074533, the centrifugal force quickly separates the two phases. and the surface and heat exchanges are considerably reduced as the transformation, compression or expansion, making them poorly adapted to the implementation of a compression or almost isothermal relaxation of a gas in contact with a liquid. The use of compression devices of a thermodynamic gas mixed with an incompressible liquid, with a single axis and direction of rotation, which does not include recirculation and / or mixing provisions of the liquid having separated of his mix with. the thermodynamic gas, by the effect of the centrifugal force, and in which the thermodynamic gas-incompressible liquid mixture would be introduced at once at the inlet and kept inside the compression device, is not considered for this purpose. function in the device and method of the present invention.
Globalement ces brevets correspondent à des dispositifs pouvant fonctionner à basse température, alors que la présente invention vise principalement les températures hautes élevées, en vue de rendements thermodynamiques élevés. Les brevets US Patent 4 027 993, 4 041 708 et 5 641 273 décrivent des procédés visant à comprimer de façon quasi isotherme un gaz en le mélangeant avec un liquide sous forme d'une mousse à cellules fermées, le gaz étant à l'intérieur des cellules dont les parois seraient constituées d'un liquide moussant très particulier (solutions liquides de stéarates, palminates, lauréates, oléates de métaux; acide oléique, glycérine, saponine, agents émulsifiants etc.). La présente invention ne considère pas ce type de configurations très particulières de mélange gaz thermodynamique û liquide, notamment d'une part parce qu'elle ne nous paraissent pas apte à assurer des échanges thermiques suffisamment efficaces entre le gaz et le liquide, et d'autre part parce que les types de liquides cités ne sont pas adaptés aux températures élevées visées par la présente invention pour réaliser un système thermodynamique générateur d'énergie mécanique. Overall, these patents correspond to devices that can operate at a low temperature, whereas the present invention mainly aims at high high temperatures, with a view to high thermodynamic efficiencies. US Patent Nos. 4,027,993, 4,041,708 and 5,641,273 disclose methods for substantially isothermally compressing a gas by mixing it with a liquid in the form of a closed cell foam, the gas being inside. cells whose walls would consist of a very particular foaming liquid (liquid solutions of stearates, palminates, laureate, metal oleate, oleic acid, glycerine, saponin, emulsifying agents, etc.). The present invention does not consider this type of very particular configuration of thermodynamic gas-liquid mixture, especially on the one hand because it does not seem us able to ensure sufficiently efficient heat exchange between the gas and the liquid, and on the other hand because the types of liquids mentioned are not adapted to the high temperatures targeted by the present invention for producing a thermodynamic system that generates mechanical energy.
Les brevets US Patent 5 934 076, RE 37 603 E et 5 771 693 décrivent un dispositif de compression d'un gaz, dans un compresseur à piston, avec injection simultanée d'un liquide sous forme atomisée, en vue de réaliser une compression quasi isotherme, mais sans réaliser une ctétente quasi isotherme par mise en mélange avec un liquide incompressible. La présente invention ne retient pas les appareils à piston pour effectuer la compression d'un fluide thermodynamique en mélange avec un fluide incompressible. De plus, dans la présente invention, si le fluide thermodynamique est un gaz tout au long du cycle, et s'il effectue une compression quasi isotherme en mélange avec un liquide incompressible et non réactif avec lui, il effectue alors de préférence aussi une détente quasi isotherme en mélange avec un liquide incompressible. US Patent Nos. 5,934,076, RE 37,603 E and 5,771,693 describe a device for compressing a gas, in a piston compressor, with simultaneous injection of a liquid in atomized form, with a view to achieving a quasi compression. isothermal, but without achieving a ctétente quasi isothermal by mixing with an incompressible liquid. The present invention does not hold the piston apparatus for compressing a thermodynamic fluid in admixture with an incompressible fluid. In addition, in the present invention, if the thermodynamic fluid is a gas throughout the cycle, and if it performs an almost isothermal compression in a mixture with an incompressible liquid and not reactive with it, then it also preferably performs a relaxation quasi isothermal mixture with an incompressible liquid.
Aucun de ces brevets ne caractérise la fraction volumique de liquide en mélange avec le gaz thermodynamique lors des transformations où il produit ou reçoit du travail, alors que la présente invention établit que ces paramètres sont des éléments essentiels et déterminants des conditions de fonctionnement des appareils où s'effectuent ces transformations, et définit quantitativement les conditions de mise en oeuvre du mélange gaz -liquide et de maîtrise des paramètres associés. Le brevet WO 91/02885 décrit l'utilisation du mélange entre des gouttelettes de liquide saturé dans la vapeur saturée qui effectue ainsi une détente ou un compression quasi isotherme, afin de réaliser un cycle proche du cycle de Carnot. Ces dispositions, qui reposent sur la mise en contact d'un seul et même fluide thermodynamique sous deux formes, l'état liquide. saturé et l'état vapeur saturé, et où la limitation de la variation de température est liée à la chaleur latente, sont différentes de celles de la présente invention, qui utilise le mélange entre deux fluides différents et où la limitation de la variation de température est liée à la chaleur massique du fluide incompressible mis en présence du fluide thermodynamique, et qui reste monophasique pendant la transformation élémentaire. Certaines formes d'utilisation de la chaleur géothermique pour produire de l'énergie mécanique, notamment afin de produire de l'électricité, utilisent une étape de contact direct entre l'eau généralement saumâtre chauffée par l'énergie géothermique et un fluide thermodynamique organique spécifique, tel que l'isobutane, qui se vaporise lors du contact et effectue ensuite un cycle de Rankine - Hirn, ceci afin d'éviter l'utilisation d'échangeurs à parois dont la maîtrise de la corrosion serait problématique compte tenu des caractéristiques chimiques des eaux saumâtres très corrosives, tel que décrit par exemple dans le brevet US Patent 4 167 099. Dans des variantes, le fluide thermodynamique, tel que l'isobutane, est injecté directement dans le milieu géologique où s'effectue par contact direct l'échange thermique avec les eaux saumâtres et la vaporisation de l'isobutane, dont la vapeur sous pression est récupérée et alimente la turbine de l'installation de surface de production d'énergie. Outre le caractère trés particulier de ces applications (eau saumâtre géothermique vecteur de la chaleur, température source chaude limitée, fluide thermodynamique très spécifique...), aucun (le ces modes de mise en oeuvre ne fait partie de la présente invention, où dans le cas d'applications à la géothermie, le dispositif et procédé de l'invention est mis en oeuvre en réalisant au moins une des conditions suivantes: - lors du cycle thermodynamique, le fluide thermodynamique est mis en mélange avec 10 un fluide incompressible dans au moins deux étapes distinctes du cycle, différant par la température et/ou la pression, - le fluide thermodynamique est toujours à l'état compressible au cours du cycle thermodynamique, et réalise par exemple un cycle de Ericsson. Dans les centrales de production d'électricité à charbon à chambre de 15 combustion à lit fluidisé sous pression (PFBC : Pressurized Fluidized Bed Combustors), où l'air circulant dans la chambre de combustion est auparavant comprimé puis ensuite détendu et effectue ainsi un cycle de Brayton, qui font l'objet d'un grand nombre de brevets, la combustion du combustible, généralement du charbon pulvérisé, s'effectue au sein d'un mélange entre l'air et des particules solides non combustibles constituées 20 essentiellement de carbonate de calcium et des cendres résultant de la combustion, ces particules solides étant en abondance dans le mélange avec le gaz. Selon les configurations, la chaleur dégagée par la combustion fait fonctionner au moins une turbine à gaz (où se détend l'air de combustion accompagné optionnellement de vapeur, si de l'eau est aussi introduite dans la chambre de combustion) selon un cycle dle 25 Brayton, et/ou au moins une turbine à vapeur, selon un cycle de Rankine û Hirn, l'eau circulant à l'intérieur d'échangeurs de chaleur à parois disposés dans la chambre dle combustion, et s'y vaporisant. Avec une vitesse suffisante de l'air introduit dans ïa chambre de combustion, les particules solides sont mises en suspension et le mélange gaz (air) û particules solides (charbon et matériaux non combustibles) se comporte 30 comme un fluide, d'où sa désignation de lit fluidisé. Cette configuration est utilisée notamment pour les principales raisons explicitées suivantes: - le carbonate de calcium permet de capturer in situ les oxydes de soufre SOx dégagés lors de la combustion du charbon, et de réduire les émissions de gaz polluants, - le lit fluidisé dense se comporte comme un fluide ayant un très bon coefficient 35 d'échange thermique avec les tubes des échangeurs de chaleur placés à l'intérieur de la chambre de combustion et parcourus à l'intérieur par l'eau effectuant un cycle de Rankine - Hirn, - le lit fluidisé se comportant comme un fluide compressible, il peut être déplacé, et/ou voir sa densité modulée, à l'intérieur de la chambre, afin de faire varier les conditions 40 d'échange thermique avec les tubes des échangeurs à parois, et peut aussi être transféré hors de la chambre de combustion, - le lit fluidisé est opaque au rayonnement thermique dégagé lors de la combustion, et protège ainsi d'une chaleur excessive certains composants situés au sein de la chambre de combustion, 45 - la combustion en lit fluidisé facilite la combustion complète du charbon, dont le temps de présence dans la chambre de combustion est accru, notamment les particules de charbon les plus fines sont ainsi retenues dans le lit fluidisé, alors qu'autrement elles s'échapperaient partiellement imbrûlées de la chambre de combustion avec le débit d'a.r sortant. None of these patents characterizes the volume fraction of liquid mixed with the thermodynamic gas during the transformations where it produces or receives work, whereas the present invention establishes that these parameters are essential and determining elements of the operating conditions of the apparatus where These transformations are carried out, and quantitatively define the conditions for using the gas-liquid mixture and controlling the associated parameters. Patent WO 91/02885 describes the use of the mixture between saturated vapor saturated liquid droplets which thus performs an almost isothermal expansion or compression, in order to achieve a cycle close to the Carnot cycle. These provisions, which are based on the contact of a single thermodynamic fluid in two forms, the liquid state. saturated and saturated vapor state, and where the limitation of the temperature variation is related to the latent heat, are different from those of the present invention, which uses the mixture between two different fluids and where the limitation of the temperature variation is related to the specific heat of the incompressible fluid in the presence of the thermodynamic fluid, and which remains monophasic during the elementary transformation. Certain forms of use of geothermal heat to produce mechanical energy, particularly to produce electricity, use a step of direct contact between the generally brackish water heated by geothermal energy and a specific organic thermodynamic fluid , such as isobutane, which vaporizes on contact and then performs a Rankine-Hirn cycle, in order to avoid the use of wall exchangers whose corrosion control would be problematic given the chemical characteristics of highly corrosive brackish water, as described for example in the patent US Pat. No. 4,167,099. In variants, the thermodynamic fluid, such as isobutane, is injected directly into the geological medium where the exchange takes place by direct contact. thermal with brackish water and the vaporization of isobutane, whose steam under pressure is recovered and feeds the turbine of the installation of power generation area. In addition to the very particular nature of these applications (brackish water geothermal vector of heat, limited hot source temperature, very specific thermodynamic fluid ...), none (these modes of implementation is part of the present invention, where in the case of geothermal applications, the device and method of the invention is implemented by performing at least one of the following conditions: during the thermodynamic cycle, the thermodynamic fluid is mixed with an incompressible fluid in the at least two distinct stages of the cycle, differing in temperature and / or pressure, the thermodynamic fluid is always in the compressible state during the thermodynamic cycle, and for example produces a cycle of Ericsson. coal-fired pressurized fluidized bed combustor (PFBC), where the air circulating in the combustion chamber The bustion is previously compressed and then expanded and thus carries out a Brayton cycle, which is the subject of a large number of patents, the combustion of the fuel, usually pulverized coal, is carried out within a mixture between the air and non-combustible solid particles consisting essentially of calcium carbonate and ashes resulting from combustion, these solid particles being in abundance in the mixture with the gas. According to the configurations, the heat generated by the combustion operates at least one gas turbine (where the combustion air is optionally accompanied by steam, if water is also introduced into the combustion chamber) according to a cycle of Brayton, and / or at least one steam turbine, according to a Rankine-Hirn cycle, the water circulating inside wall-mounted heat exchangers arranged in the combustion chamber and vaporizing therein. With sufficient air velocity introduced into the combustion chamber, the solid particles are suspended and the mixture of gas (air) and solid particles (coal and non-combustible materials) behaves like a fluid, hence its fluidized bed designation. This configuration is used in particular for the following main reasons: calcium carbonate makes it possible to capture in situ SOx sulfur oxides released during the combustion of coal, and to reduce gaseous pollutant emissions; comprises as a fluid having a very good coefficient of heat exchange with the tubes of the heat exchangers placed inside the combustion chamber and traversed internally by the water performing a Rankine-Hirn cycle, the fluidized bed behaving as a compressible fluid, it can be moved, and / or see its modulated density, inside the chamber, in order to vary the conditions of heat exchange with the tubes of the exchangers with walls, and can also be transferred out of the combustion chamber, - the fluidized bed is opaque to the heat radiation released during combustion, and thus protects against excessive heat cert As components within the combustion chamber, fluidized bed combustion facilitates the complete combustion of the coal, the time of which is increased in the combustion chamber, in particular the finest carbon particles are thus retained in the combustion chamber. the fluidized bed, while otherwise they would escape partially unburned from the combustion chamber with the outgoing flow rate.
Si par ailleurs, dans ce cas particulier (combustion de charbon pour la production d'électricité dans une centrale fixe utilisant spécifiquement des appareils de détente ou de compression dynamiques: turbines, turbocompresseurs), la quantité de particules solides et la capacité calorifique associée est de nature à apporter une certaine inertie thermique à l'air, en tant que gaz thermodynamique pouvant effectuer un cycle cle Brayton, ce point n'est pas explicité ni caractérisé quantitativement dans la relation reliant la quantité de particules et la constante de temps nécessaire pour réaliser de façon satisfaisante l'échauffement isobare du cycle de Brayton. Il est d'ailleurs généralement sans objet, la combustion de l'oxygène étant généralement complète, ce qui permet cle maîtriser et stabiliser les réactions, grâce à la disparition de l'oxygène, en agissant sur le débit d'air frais, ceci étant possible parce que toute la chaleur dégagée lors de la combustion complète est absorbée par au moins deux cycles thermodynamiques (e cycle de Rankine û Hirn effectué par l'eau circulant dans les échangeurs et le cycle cle Brayton effectué par l'air de combustion). Au contraire, la présente invention présente qualitativement et quantitativement les dispositions à mettre en oeuvre qui permettent de maîtriser et stabiliser les réactions générant la chaleur primaire et la température dans la chambre de réaction, notamment dans un unique cycle thermodynamique à combustion interne, tel qu'un cycle de Brayton, où l'air est le fluide thermodynamique et l'oxygène qu'il contient est un des réactifs dans les réactions, notamment de combustion, et où l'oxygène n'est que partiellement consommé, et où les réactifs peuvent notamment être sous forme solide. If, on the other hand, in this particular case (combustion of coal for the production of electricity in a fixed power station specifically using dynamic expansion or compression devices: turbines, turbochargers), the quantity of solid particles and the associated heat capacity is As a thermodynamic gas capable of carrying out a Brayton cycle, this point is not explicit or quantitatively characterized in the relation between the quantity of particles and the time constant necessary to achieve a certain thermal inertia. satisfactorily the isobaric heating of the Brayton cycle. It is moreover generally without object, the combustion of the oxygen being generally complete, which makes it possible to control and stabilize the reactions, thanks to the disappearance of the oxygen, by acting on the flow of fresh air, this being possible because all the heat released during complete combustion is absorbed by at least two thermodynamic cycles (the Rankine-Hirn cycle carried out by the water circulating in the exchangers and the Brayton cycle carried out by the combustion air). On the contrary, the present invention has qualitatively and quantitatively the arrangements to be employed which make it possible to control and stabilize the reactions generating the primary heat and the temperature in the reaction chamber, in particular in a single thermodynamic cycle with internal combustion, such as a Brayton cycle, where air is the thermodynamic fluid and the oxygen it contains is one of the reagents in reactions, especially combustion, and where oxygen is only partially consumed, and where the reagents can especially be in solid form.
EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour démarche d'étendre les possibilités et d'accroître les performances des dispositifs thermodynamiques de production d'énergie mécanique de l'état des techniques, avec notamment des objectif de : - rendements thermodynamiques élevés, ayant pour avantages, pour une même quantité d'énergie mécanique produite, d'avoir une meilleure économie (consommation de la source d'énergie primaire, investissement...), et dans le cas des systèmes utilisant comme source d'énergie primaire la combustion de matériaux carbonés avec l'oxygène, d'émettre moins de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et donc de réduire l'impact correspondant sur l'environnement, et de relâcher moins de chaleur à la source froide, avec ainsi un impact moindre sur l'environnement (réduction des rejets thermiques); - flexibilité vis-à-vis de la source d'énergie primaire et vis-à-vis des types d'applications (transports, production d'électricité SUMMARY OF THE INVENTION The present invention seeks to extend the possibilities and increase the performance of the thermodynamic devices for producing mechanical energy of the state of the art, in particular with the objectives of: high thermodynamic efficiencies, having for advantages, for the same quantity of mechanical energy produced, to have a better economy (consumption of the primary energy source, investment ...), and in the case of systems using as primary energy source combustion of carbonaceous materials with oxygen, to emit less carbon dioxide into the atmosphere and thus to reduce the corresponding impact on the environment, and to release less heat to the cold source, thus with less impact on the environment (reduction of thermal discharges); - flexibility vis-à-vis the primary energy source and vis-à-vis the types of applications (transport, electricity generation
.), l'invention pouvant s'appliquer à tout type de source d'énergie produisant la chaleur primaire, avec notamment les avantages suivants: * économiques, en pouvant utiliser des sources d'énergie primaire ayant des prix et/ou des disponibilités attractives sur le marché, * de gestion pérenne des ressources énergétiques, par exemple : ° en pouvant utiliser des réactions énergétiques différentes de la combustion de matériaux carbonés avec l'oxygène, ° dans le cas de la combustion de matériaux carbonés avec l'oxygène, en pouvant utiliser une gamme étendue de types et de formes de combustibles, à l'état solide (tels que bois et matériaux à base de cellulose, coke, charbon, lignite, tourbe, ...), liquide (tels que huiles, alcools, hydrocarbures liquides û essence, gazole, fioul, pétrole. .DTD: .-;), pâteux ( tels que bitumes.) ou gazeux (tels que hydrocarbures gazeux, par exemple méthane, butane, propane...), et optionnellement de pouvoir éviter certaines étapes de pré traitement et raffinage préalables, qui sont nécessaires pour utiliser les combustibles liquides spécifiques dans les machines actuelles à combustion interne, * pratiques, notamment dans le cas de la combustion de matériaux carbonés avec l'oxygène, en permettant dans certaines applications du dispositif, de passer d'un combustible à un autre, ou d'utiliser différents combustibles en mélange, et dans des proportions variables. Les dispositions de la présente invention peuvent aussi permettre des simplifications technologiques, et notamment : * de pouvoir limiter ou éviter l'utilisation d'échangeurs à parois, avec ainsi une plus 10 grande compacité et légèreté, * de pouvoir utiliser plus aisément des appareils de compression ou de détente de fluide thermodynamique fonctionnant en rotation, ce qui favorise la réversibilité des transformations thermodynamiques, notamment là où la pratique industrielle est de fait cantonnée à des appareils à pistons alternatifs, 15 * de pouvoir s'abstraire des systèmes et procédés d'allumage ou auto ignition, tels que ceux des moteurs à explosion de l'état des techniques. L'exposé qui suit présente le dispositif et procédé de l'invention, et est organisé en quatre parties: - principes de base du dispositif et procédé, 20 - opérations élémentaires réalisées par le dispositif et procédé, et types d'appareils associés, - agencement des opérations élémentaires en sous systèmes caractéristiques du dispositif et procédé, - agencement des sous systèmes caractéristiques du dispositif et procédé pour réaliser 25 les cycles thermodynamiques considérés...DTD: Nous présentons d'abord les principes de base du dispositif et procédé cle l'invention. Le dispositif et procédé consiste en un système thermodynamique de production d'énergie mécanique dans lequel au moins un fluide thermodynamique 30 effectue un cycle thermodynamique produisant de l'énergie mécanique où il est mis en mélange, dans au moins une phase de son cycle, avec un fluide incompressible non miscible avec lui et ayant une chaleur volumique, produit de la chaleur massique par !a masse volumique, beaucoup plus importante que la sienne, appelé calocontacteur, et où: - les phases du cycle où sont effectuées des mises en mélange font partie des catégories 35 suivantes: * détente quasi isotherme, désignée phase 1, au cours de laquelle le fluide thermodynamique, mis en mélange avec un calocontacteur, produit de l'énerg.e mécanique vis à vis de l'extérieur, * compression quasi isotherme, désigné phase 2, au cours de laquelle le fluide 40 thermodynamique, mis en mélange avec un calocontacteur, reçoit de l'énergie mécanique de la part de l'extérieur, * échange de chaleur entre un calocontacteur et le fluide thermodynamique mis en mélange, sans génération ni réception de travail vis à vis de l'extérieur, désigné phase 3, * réception de chaleur, désignée phase 4, où le fluide thermodynamique et un 45 calocontacteur sont présents en mélange dans la zone même où est générée la chaleur à haute température, clite chaleur primaire, et où la présence du calocontacteur permet de maîtriser et contrôler la température et les réactions générant la chaleur primaire dans cette zone, et y est introduit à cette fin en quantité nécessaire définie plus loin; - un calocontacteur est un fluide au sens de son aptitude à être mis en mélange avec le fluide thermodynamique, à présenter vis à vis de lui une surface de contact importante, et à réaliser avec lui des échanges thermiques très efficaces, et au sens de pouvoir optionnellement être circulé ou déplacé; il est incompressible au sens où il ne contribue pas, par son expansion, respectivement sa contraction, à la génération, respectivement la réception, d'énergie mécanique; il a une chaleur volumique élevée, typiquement au moins dix fois plus grande que celle du fluide thermodynamique à l'étape considérée du cycle thermodynamique. C'est grâce à ces propriétés, notamment à cette chaleur volumique élevée et aux échanges thermiques efficaces, apportés au fluide thermodynamique par un calocontacteur mélangé avec lui à certaines étapes spécifiques du cycle thermodynamique, et dans des conditions qualitatives et quantitatives précises et caractéristiques de l'invention, qui sont décrites ci-après, que le dispositif et procédé peut réaliser des cycles thermodynamiques dans des conditions: - favorisant au mieux la réversibilité des transformations thermodynamiques (notamment échanges thermiques à faible écart de température, absence de transformations à cinétique rapide ou mal maîtrisée), - permettant des transformations quasi isothermes, - permettant de réaliser aisément et dans un encombrement limité des échanges thermiques, optionnellement multiples, - permettant la maîtrise et la stabilisation de génération de la chaleur primaire et de la température dans la zone où elles est générée. Le dispositif et procédé peut s'appliquer à tout domaine d'utilisation de l'énergie mécanique, notamment la propulsion de véhicules (terrestres, marins, aériens...), et/ou la transformation de l'énergie mécanique (telle que la production d'électricité). Il peut être fixe, transportable ou mobile. L'énergie mécanique produite peut notamment se matérialiser sous la forme d'une puissance mécanique délivrée sur un arbre de transmission en rotation et/ou d'une énergie cinétique de fluides éjectés par le dispositif Le ou les fluides thermodynamiques peuvent effectuer un cycle thermodynamique entièrement fermé (recyclage intégral du fluide thermodynamique qui reste entièrement confiné à l'intérieur du dispositif et procédé) ou ouvert sans recyclage (prélèvement à l'extérieur de la totalité du fluide thermodynamique, généralement de l'air, et rejet à l'extérieur de la totalité du fluide thermodynamique après qu'il ait effectué un cycle complet ou partiel à l'intérieur du dispositif), ou ouvert avec recyclage (recyclage partiel du fluide thermodynamique, généralement l'air initialement prélevé à l'extérieur et dont la composition a pu être modifiée par les réactions chimique intervenant dans e dispositif). Un fluide thermodynamique peut être notamment : - un fluide dans un état compressible (gazeux ou supercritique) à toutes les étapes cu cycle, par exemple un gaz polyatomique tel que azote, mono ou dioxyde de carbone, cu un gaz rare monoatomique (hélium, néon, argon, krypton, xénon.) inerte chimiquement vis à vis de tous les autres corps, ou un mélange de gaz, tel que l'air, - un fluide minéral ou organique changeant d'état au cours du cycle thermodynamique, notamment en passant de l'état liquide à l'état gazeux, ou même supercritique. .), the invention being applicable to any type of energy source producing the primary heat, including the following advantages: * economic, being able to use primary energy sources with attractive prices and / or availabilities on the market, * sustainable management of energy resources, for example: ° by being able to use different energy reactions from the combustion of carbonaceous materials with oxygen, ° in the case of the combustion of carbonaceous materials with oxygen, in may use a wide range of types and forms of solid state fuels (such as wood and cellulose-based materials, coke, coal, lignite, peat, etc.), liquid (such as oils, alcohols, liquid hydrocarbons - petrol, diesel, fuel oil, petroleum - .DTD: .-;), pasty (such as bitumens.) or gaseous hydrocarbons (such as gaseous hydrocarbons, for example methane, butane, propane, etc.), and optionally avoid some preliminary pre-treatment and refining steps, which are necessary to use the specific liquid fuels in the current internal combustion machines, * practical, especially in the case of the combustion of carbonaceous materials with oxygen, allowing in certain applications of the device , to switch from one fuel to another, or to use different fuels mixed, and in varying proportions. The provisions of the present invention may also allow technological simplifications, and in particular: * to be able to limit or avoid the use of wall exchangers, with thus greater compactness and lightness, * to be able to use more easily compression or expansion of thermodynamic fluid operating in rotation, which promotes the reversibility of thermodynamic transformations, especially where the industrial practice is in fact confined to reciprocating piston apparatus, 15 * to be able to get away from the systems and processes of ignition or auto ignition, such as those of state of the art spark engines. The following description presents the device and method of the invention, and is organized in four parts: basic principles of the device and method, elementary operations performed by the device and method, and types of associated apparatus; arrangement of the elementary operations in sub-systems characteristic of the device and method, arrangement of the characteristic subsystems of the device and method for carrying out the thermodynamic cycles considered ... DTD: We first present the basic principles of the device and method of the device. 'invention. The device and method consists of a thermodynamic system for producing mechanical energy in which at least one thermodynamic fluid 30 carries out a thermodynamic cycle producing mechanical energy where it is mixed, in at least one phase of its cycle, with an incompressible fluid which is immiscible with it and has a heat density, produces mass heat with a density which is much greater than its own, called a heat sink, and where: the phases of the cycle in which mixing is carried out make part of the following categories: * almost isothermal expansion, designated phase 1, during which the thermodynamic fluid, mixed with a calocontactor, produces mechanical energy with respect to the outside, * almost isothermal compression designated phase 2, during which the thermodynamic fluid 40, mixed with a calocontactor, receives mechanical energy from the outside. heat exchange between a calocontactor and the thermodynamic fluid mixed, without generating or receiving work with respect to the outside, designated phase 3, * heat reception, designated phase 4, where the thermodynamic fluid and a 45 calocontactors are present in a mixture in the same zone where heat is generated at high temperature, clite primary heat, and where the presence of the calocontactor makes it possible to control and control the temperature and the reactions generating the primary heat in this zone, and is there introduced for this purpose in a necessary quantity defined below; a calocontactor is a fluid in the sense of its ability to be mixed with the thermodynamic fluid, to have a large contact surface with respect to it, and to perform with it very efficient heat exchanges, and in the sense of being able to optionally be circulated or moved; it is incompressible in the sense that it does not contribute, by its expansion, respectively its contraction, to the generation, respectively the reception, of mechanical energy; it has a high heat density, typically at least ten times greater than that of the thermodynamic fluid at the stage of the thermodynamic cycle. It is thanks to these properties, especially to this high heat density and efficient heat exchange, brought to the thermodynamic fluid by a calocontactor mixed with it at certain specific stages of the thermodynamic cycle, and under specific qualitative and quantitative conditions and characteristics of the thermodynamic fluid. The invention, which are described below, that the device and method can achieve thermodynamic cycles under conditions: - best promoting the reversibility of thermodynamic transformations (especially heat exchange with a small difference in temperature, absence of fast kinetic transformations or poorly controlled), - allowing quasi-isothermal transformations, - making it possible to easily achieve, in a limited space, heat exchanges, optionally multiple, - allowing control and stabilization of the generation of primary heat and temperature in the zone where they occur. is generated. The device and method can be applied to any field of use of mechanical energy, in particular the propulsion of vehicles (land, sea, air, etc.), and / or the transformation of mechanical energy (such as electricity production). It can be fixed, transportable or mobile. The mechanical energy produced can notably be embodied in the form of a mechanical power delivered on a rotating transmission shaft and / or a kinetic energy of fluids ejected by the device. The thermodynamic fluid or fluids can perform a thermodynamic cycle entirely. closed (integral recycling of the thermodynamic fluid which remains entirely confined within the device and process) or opened without recycling (sampling outside of the entire thermodynamic fluid, generally air, and discharge outside the totality of the thermodynamic fluid after having carried out a complete or partial cycle inside the device), or opened with recycling (partial recycling of the thermodynamic fluid, generally the air initially taken outside and whose composition has could be modified by the chemical reactions involved in the device). A thermodynamic fluid may be in particular: a fluid in a compressible state (gaseous or supercritical) at all stages of the cycle, for example a polyatomic gas such as nitrogen, mono or carbon dioxide, or a rare monoatomic gas (helium, neon argon, krypton, xenon) chemically inert to all other bodies, or a mixture of gases, such as air, a mineral or organic fluid changing state during the thermodynamic cycle, including passing from the liquid state to the gaseous state, or even supercritical.
Un calocontacteur est un fluide incompressible, apte, par ses propriétés physiques et par les conditions de mise en oeuvre du mélange, à permettre des échanges thermiques efficaces avec le fluide thermodynamique, vis à vis duquel: - il peut être mélangé pratiquement sans miscibilité (optionnellement, une faible quantité de fluide thermodynamique peut se dissoudre dans un calocontacteur), - il peut en être ensuite physiquement séparé, notamment en ayant un masse volumique différente, ce qui permet une séparation aisée et efficace par gravité et/ou centrifugatio:l, - il est généralement inerte chimiquement (sauf dans le cas où un calocontacteur et un fluide thermodynamique sont ensemble impliqués dans les mécanismes de génération de la chaleur primaire, au quel cas les réactions entre ce calocontacteur et le fluide thermodynamique sont alors limitées aux zones dédiées au dégagement de la chaleur primaire). Le cas échéant, un calocontacteur présente ces mêmes propriétés vis à vis d'autres fluides (autres calocontacteurs, réactifs et/ou résidus de réactions produisant la chaleur primaire...). Lorsque nécessaire, un calocontacteur doit être apte à être circulé vers des zones du dispositif ou étapes du procédé, autres que celles de contact avec le fluide thermodynamiques, par des appareils de transfert adaptés. Plusieurs calocontacteurs peuvent être mis en oeuvre dans un cycle thermodynamique, et lorsqu'un calocontacteur est, vis-à-vis du fluide thermodynamique, porteur de :.a chaleur provenant d,e la source de chaleur primaire, il est désigné calocontacteur chaud, lorsque le calocontacteur est, vis-à-vis du fluide thermodynamique, extracteur de ï a chaleur à transférer à l'extérieur, il est désigné calocontacteur froid, lorsqu'un calocontacteur est utilisé pour réaliser des échanges thermiques régénératifs, c'est-à-dire pour transférer de la chaleur du fluide thermodynamique, à une phase du cycle, à lui- même, à une autre phase du cycle, le calocontacteur est désigné calocontacteur intermédiaire. Hormis dans le cas où la température la plus élevée du cycle thermodynamique est de fait limitée par la nature de la source de chaleur, ce qui est notamment le cas pour l'utilisation de la chaleur géothermale ou de l'énergie solaire basse ou moyenne température, le dispositif et procédé de production d'énergie mécanique fonctionne de préférence avec des températures hautes élevées, typiquement supérieures à 600°K, cu même très supérieures, de l'ordre de 900°K à 1300°K, et ceci afin d'obtenir des rendements thermodynamiques élevés. Ceci influe notamment sur les choix des calocontacteurs chauds ou intermédiaires mis en oeuvre dans le dispositif et procédé. A calocontactor is an incompressible fluid, adapted, by its physical properties and by the conditions of use of the mixture, to allow efficient heat exchanges with the thermodynamic fluid, with respect to which: it can be mixed practically without miscibility (optionally a small amount of thermodynamic fluid can dissolve in a calocontactor), - it can then be physically separated, in particular having a different density, which allows an easy and effective separation by gravity and / or centrifugation: 1, - it is generally chemically inert (except in the case where a calocontactor and a thermodynamic fluid are together involved in the mechanisms for generating the primary heat, in which case the reactions between this calocontactor and the thermodynamic fluid are then limited to the zones dedicated to the disengagement primary heat). If necessary, a calocontactor has the same properties with respect to other fluids (other calocontactors, reagents and / or reaction residues producing the primary heat ...). When necessary, a calocontactor must be able to be circulated to areas of the device or process steps, other than those of contact with the thermodynamic fluid, by suitable transfer devices. Several calocontactors can be used in a thermodynamic cycle, and when a calocontactor is, with respect to the thermodynamic fluid, carrying heat from the primary heat source, it is designated hot calocontactor, when the calocontactor is, vis-à-vis the thermodynamic fluid, heat extractor to be transferred to the outside, it is designated cold calocontactor, when a calocontactor is used to perform regenerative heat exchange, that is to say ie to transfer heat from the thermodynamic fluid, at one phase of the cycle, to itself, at another phase of the cycle, the calocontactor is designated intermediary calocontactor. Except in the case where the highest temperature of the thermodynamic cycle is in fact limited by the nature of the heat source, which is particularly the case for the use of geothermal heat or low or medium temperature solar energy , the device and method for producing mechanical energy preferably operates with high high temperatures, typically greater than 600 ° K, or even much higher, of the order of 900 ° K to 1300 ° K, and this in order to obtain high thermodynamic yields. This affects in particular the choice of hot or intermediate calocontactors used in the device and process.
Un calocontacteur peut être notamment un matériau à l'état liquide dans les conditions où il est mis en oeuvre en mélange avec un fluide thermodynarique, à l'étape concernée du cycle thermodynamique, en particulier: - Un métal, un mélange ou un alliage de métaux à l'état liquide, en particulier des métaux ou alliages à température de fusion basse ou moyenne. L'invention peut mettre notamment à profit les propriétés de très bonne conductibilité thermique de ces métaux liquides utilisés comme calocontacteur. Les métaux ou alliages liquides peuvent être utilisés comme calocontacteurs chauds, intermédiaires ou même froids. - Un sel ou un mélange de sels fondus, tels que chlorures, fluorures, nitrates, nitrites, carbonates, sulfates..., notamment comme calocontacteur chaud ou intermédiaire. - Un liquide minéral, par exemple de l'eau liquide, utilisée en particulier comme calocontacteur froid, un oxyde, un hydroxyde, une base ou un acide minéral, ou un mélange de tels composés, à l'état liquide, - Un liquide ou un mélange de liquides organiques, tels que huiles, hydrocarbures.. , comme calocontacteur intermédiaire, froid, optionnellement chaud. A calocontactor may in particular be a material in the liquid state under the conditions in which it is used in admixture with a thermodynamic fluid, at the relevant stage of the thermodynamic cycle, in particular: a metal, a mixture or an alloy of metals in the liquid state, in particular metals or alloys with low or medium melting temperature. The invention can in particular take advantage of the properties of very good thermal conductivity of these liquid metals used as a heat sink. Liquid metals or alloys can be used as hot, intermediate or even cold heat conductors. - A salt or a mixture of molten salts, such as chlorides, fluorides, nitrates, nitrites, carbonates, sulphates, etc., especially as hot or intermediate heat exchanger. - A mineral liquid, for example liquid water, used in particular as cold calocontactor, an oxide, a hydroxide, a base or a mineral acid, or a mixture of such compounds, in the liquid state, - A liquid or a mixture of organic liquids, such as oils, hydrocarbons, as intermediate calocontactor, cold, optionally hot.
Un calocontacteur peut aussi être : - Un matériau solide finement divisé, tel que sous forme pulvérulente, notamment oxydes, sels solides, céramiques, métaux ou alliages..., ou mélange de ces matériaux, - Un liquide contenant des matières solides divisées en suspension. A calocontactor may also be: - A finely divided solid material, such as in pulverulent form, in particular oxides, solid salts, ceramics, metals or alloys ..., or a mixture of these materials, - A liquid containing solids divided into suspension .
Un même type calocontacteur peut effectuer une ou plusieurs des quatre phases 1, 2, 3 ou 4. Un même fluide thermodynamique peut être mis en contact avec plusieurs calocontacteurs différents. Nous illustrons et caractérisons ci-dessous les principaux modes d'utilisation d'un calocontacteur et de mise en oeuvre de phases 1, 2, 3 ou 4 au sein du dispositif et procédé de l'invention. Les développements quantitatifs qui y sont présentés ont pour but de fournir, de manière compréhensible, aux lecteurs au fait de l'état des sciences et de l'art du domaine, les éléments de description et démonstration nécessaires ou utiles. The same calocontactor type can perform one or more of the four phases 1, 2, 3 or 4. The same thermodynamic fluid can be brought into contact with several different calocontactors. We illustrate and characterize below the main modes of use of a calocontactor and implementation of phases 1, 2, 3 or 4 within the device and method of the invention. The quantitative developments presented there are intended to provide, in a comprehensible way, to the readers who are aware of the state of science and art of the field, the elements of description and demonstration necessary or useful.
Pour être mis en oeuvre de façon efficace, le mélange entre un fluide thermodynamique et un calocontacteur, optionnellement d'autres matériaux, est réalisé dans des conditions favorisant des échanges thermiques très efficaces, notamment où l'un ou plusieurs des constituants du mélange est finement divisé et/ou présente une surface développée importante, où le mélange est homogène et sans ségrégation, et de préférence dans des conditions de brassage, de déformations et interpénétrations mutuelles des constituants sur l'ensemble du volume de mélange, et avec des mouvements relatifs significatifs entre les constituants du mélange, et des conditions de turbulence. Dans des phases 1, respectivement 2, le calocontacteur accompagne en mélange et en quantité suffisante le fluide thermodynamique dans des transformations associées à des variations de volume, où celui-ci fournit, respectivement reçoit, du travail, et où le calocontacteur lui cède, respectivement lui prélève, de la chaleur, de telle sorte que la transformation effectuée, détente respectivement compression, soit quasi isotherme, ce qui n'est pas pratiquement réalisable autrement, notamment avec des échangeurs à parois. Ainsi le calocontacteur, fluide déformable, accompagne continûment le fluide thermodynamique dans les volumes variables de l'appareil de détente, respectivement compression, et comportant des pièces mobiles, en étant en quasi équilibre thermique et en échangeant de la chaleur avec lui au cours de la transformation thermodynamique, la variation de température étant limitée si la quantité de calocontacteur présent est suffisante. Une phase 1 ou une phase 2 est réalisée dans des appareils et des conditions : a) assurant des échanges thermiques très efficaces entre calocontacteur et fluide thermodynamique en mélange, où le calocontacteur est finement divisé et dispersé de façon homogène dans le fluide thermodynamique et sans ségrégation, notamment lorsqu'une force centrifuge s'applique aux constituants du mélange, et notamment dans des contions de brassage, de déformations, interpénétrations mutuelles et mouvements relatifs significatifs entre les constituants du mélange, et où la turbulence est significative; b) réalisant dans le mélange la minimisation du volume du calocontacteur par rapport à celui du fluide thermodynamique, et dans un rapport r,, qui est rendu de préférence inférieur ou très inférieur à 0,1; c) où le calocontacteur est de préférence introduit et/ou évacué de façon progressive ou étagée, à mesure de l'avancement de la transformation, et optionnellement fait l'objet d'une recirculation interne, d) où lorsqu'une phase 1 ou 2 est réalisée dans des appareils rotatifs à un seul axe de rotation, ceux ûci présentent des dispositions d'introduction et/ou d'évacuation et/ou de recirculation interne du calocontacteur qui réalisent les conditions précédentes. Le point b) a notamment les objectif suivants: - Permettre un fonctionnement satisfaisant des appareils dans des conditions où l'écoulement du mélange est proche de celui du fluide thermodynamique seul, où le volume occupé par le calocontacteur est faible par rapport à celui du fluide thermodynamique (typiquement un rapport r,, est inférieur ou sensiblement inférieur à 0,1 correspond à des configurations de type gouttelettes ou brouillard de calocontacteur dispersé dans le gaz thermodynamique), et ainsi la géométrie et les volumes caractéristiques de l'appareil de détente, respectivement compression, peuvent être semblables à ceux d'un appareil de détente, respectivement compression, du gaz thermodynamique seul. - Maintenir la puissance de pompage (c'est à dire la puissance consommée pour propulser le fluide thermodynamique et le calocontacteur, et donc perdue pour la production nette d'énergie mécanique par le dispositif) à des valeurs réalistes. En effet, l'état des sciences et des techniques indique que cette puissance de pompage, pour une géométrie et des vitesses d'écoulement données, est à peu près proportionnelle à la masse volumique du fluide ou mélange de fluides qui se déplace dans les composants du dispositif et procédé. Comme la masse volumique: du calocontacteur est généralement très supérieure à celle du fluide thermodynamique, la puissance perdue par le pompage pourrait devenir importante si la fraction de calocontacteur et/ou son débit devenaient trop importants. Il est nécessaire ainsi que l'ajustement de la quantité de calocontacteur en mélange avec le fluide thermodynamique soit correctement effectuée dans la mise en oeuvre du dispositif et procédé (conditions d'introduction et/ou d'évacuation du calocontacteur). To be implemented effectively, the mixture between a thermodynamic fluid and a calocontactor, optionally other materials, is carried out under conditions promoting very efficient heat exchange, especially where one or more of the constituents of the mixture is finely divided and / or has a large developed surface, where the mixture is homogeneous and without segregation, and preferably under conditions of mixing, deformation and mutual interpenetration of the constituents over the entire mixing volume, and with significant relative movements between the constituents of the mixture, and turbulence conditions. In phases 1 and 2 respectively, the calocontactor accompanies in a mixture and in a sufficient quantity the thermodynamic fluid in transformations associated with volume variations, where it provides, respectively receives, work, and where the calocontactor yields to it, respectively. It takes heat, so that the transformation performed, respectively relaxation compression, is almost isothermal, which is not practically feasible otherwise, especially with wall exchangers. Thus the calocontactor, a deformable fluid, continuously accompanies the thermodynamic fluid in the variable volumes of the expansion device, respectively compression, and having moving parts, being in near thermal equilibrium and exchanging heat with it during the thermodynamic transformation, the temperature variation being limited if the amount of calocontactor present is sufficient. A phase 1 or a phase 2 is carried out in apparatuses and conditions: a) providing very efficient heat exchange between the thermocouple and thermodynamic fluid in a mixture, where the calocontactor is finely divided and dispersed homogeneously in the thermodynamic fluid and without segregation , especially when a centrifugal force is applied to the constituents of the mixture, and in particular in brewing contions, deformations, mutual interpenetrations and significant relative movements between the constituents of the mixture, and where the turbulence is significant; b) performing in the mixture the minimization of the volume of the calocontactor relative to that of the thermodynamic fluid, and in a ratio r ,, which is made preferably lower or much less than 0.1; c) where the calocontactor is preferably introduced and / or discharged gradually or staggered, as the progress of the transformation, and optionally is recirculated internally, d) where when a phase 1 or 2 is carried out in rotary apparatus with a single axis of rotation, those having provisions for introduction and / or evacuation and / or internal recirculation of the calocontactor which perform the preceding conditions. Point b) has the following objectives: - To allow satisfactory operation of the apparatus under conditions where the flow of the mixture is close to that of the thermodynamic fluid alone, where the volume occupied by the heat sink is low compared to that of the fluid thermodynamics (typically a ratio r 1 is less than or substantially less than 0.1 corresponds to configurations of droplet type or calocontactor fog dispersed in the thermodynamic gas), and thus the geometry and the characteristic volumes of the expansion device, respectively compression, can be similar to those of an expansion device, respectively compression, thermodynamic gas alone. - Maintain the pumping power (ie the power consumed to propel the thermodynamic fluid and the calocontactor, and therefore lost for the net production of mechanical energy by the device) to realistic values. Indeed, the state of science and technology indicates that this pumping power, for a given geometry and flow velocities, is roughly proportional to the density of the fluid or mixture of fluids that moves in the components of the device and method. As the density: of the calocontactor is generally much greater than that of the thermodynamic fluid, the power lost by the pumping could become significant if the fraction of calocontactor and / or its flow became too important. It is necessary as well as the adjustment of the amount of calocontactor mixed with the thermodynamic fluid is correctly performed in the implementation of the device and method (conditions of introduction and / or evacuation of the calocontactor).
Corrélativement aux points a), b) et d): - Les appareils de compression ou détente à anneau liquide, qui utilisent une quantité importante de liquide pour assurer l'étanchéité entre le rotor et le stator, qui sont généralement limités en rapport de compression, et où une quantité importante de liquide circule en même temps que le fluide thermodynamique, ne sont pas adaptés au dispositif et procédé de l'invention, et n'y sont pas considérés pour la mise en oeuvre des compressions ou détentes de mélange calocontacteur û fluide thermodynamique. - Les appareils de compression ou détente à un seul axe de rotation, par exemple à spirale, où l'introduction du mélange diphasique gaz thermodynamique û calocontacteur s'effectuerait en une seule fois à l'entrée de l'appareil, et qui ne comporterait pas de dispositions et adaptations spécifiques (introduction progressive ou étagée en zone centrale, recirculation interne du calocontacteur centrifugé...), ne sont pas adaptés à la mise en oeuvre du dispositif et procédé, car la force centrifuge provoque nécessairement une séparation rapide des constituants du mélange, réduisant considérablement l'efficacité des échanges thermiques entre le fluide thermodynamique et le calocontacteur, et ceci même si ceux-ci ont été introduits initialement sous forme d'un mélange homogène. - Des configurations diphasiques calocontacteur û fluide thermodynamique très particulières de mousses dites à cellules fermées (telles que citées dans les brevets US Patent 4 027 993, 4 041 708, 5 641 273), où les conditions de mouvements relatifs, d'interpénétration mutuelle des constituants, et de turbulence, ne sont pas assurées, ne garantissent pas des échanges thermiques efficaces, et ne sont pas considérées pour la mise en oeuvre du dispositif et procédé. Nous allons établir ci-dessous qu'il est possible, et dans quelles conditions qualitatives et quantitatives, de réaliser une détente, respectivement compression, d'un fluide thermodynamique mis en mélange avec un calocontacteur, de façon quasi isotherme, ce qui nécessite une quantité suffisante de calocontacteur dans le mélange, tout et minimisant le rapport r,, du volume de calocontacteur au volume du fluide thermodynamique dans le mélange. Correlatively to points a), b) and d): - Liquid ring compression or expansion devices, which use a large quantity of liquid to seal between the rotor and the stator, which are generally limited in compression ratio , and where a large quantity of liquid circulates at the same time as the thermodynamic fluid, are not adapted to the device and method of the invention, and are not considered for the implementation of compressions or relaxations of calocontactor mixture - thermodynamic fluid. - Compression or expansion devices with a single axis of rotation, for example a spiral, where the introduction of the two-phase thermodynamic gas-calocontactor mixture would take place at one time at the entrance of the device, and which would not include no specific provisions and adaptations (phased or stepped introduction in the central zone, internal recirculation of the centrifuged calocontactor, etc.), are not adapted to the implementation of the device and method, because the centrifugal force necessarily causes rapid separation of the constituents of the mixture, considerably reducing the efficiency of heat exchange between the thermodynamic fluid and the calocontactor, and this even if they were initially introduced as a homogeneous mixture. Particularly particular thermodynamic fluid-specific two-phase configurations of so-called closed-cell foams (as cited in US Pat. Nos. 4,027,993, 4,041,708, 5,641,273), where the conditions of relative movement, mutual interpenetration of constituents, and turbulence, are not assured, do not guarantee efficient heat exchange, and are not considered for the implementation of the device and method. We will establish below that it is possible, and under what qualitative and quantitative conditions, to realize a relaxation, respectively compression, of a thermodynamic fluid mixed with a calocontactor, in an almost isothermal way, which requires a quantity sufficient calocontactor in the mixture, all and minimizing the ratio r ,, of the calocontactor volume to the volume of the thermodynamic fluid in the mixture.
On peut illustrer ce point en déterminant la ou les quantités de calocontacteur à mélanger avec le fluide thermodynamique, selon que le calocontacteur est mélangé et introduit puis évacué en une seule fois, ou est introduit et/ou évacué progressivement, ou de façon étagée., lors de la transformation thermodynamique, tout en mettant en mélange une quantité suffisante de calocontacteur afin que la variation de température du mélange soit faible tout au long et à l'issue de la transformation. Le fluide thermodynamique est considéré à ce stade comme un gaz parfait, et continûment en quasi équilibre thermique avec le calocontacteur lorsqu'il est en mélange avec lui. Considérons une partie élémentaire de transformation thermodynamique d'une phase 1 ou d'une phase 2, où le mélange de calocontacteur et de gaz thermodynamique évolue, depuis un état initial à l'équilibre thermique, sans apport ou évacuation de masse ou de chaleur. Pour déterminer la quantité de calocontacteur nécessaire pour que la transformation soit quasi isotherme, on exprime le bilan d'énergie interne du mélange diphasique constitué par le gaz thermodynamique et le calocontacteur, en équilibre thermique, dont la température T et la pression P varient respectivement de dT et dP, et recevant le travail d'W, par la formule (1) (mCä+mcCc)dT = dW où m est la masse de gaz, Cv sa chaleur massique à volume constant, mc la masse de calocontacteur en mélange avec le gaz et Cc sa chaleur massique. Le travail dW, reçu 20 par le gaz, est dW = - (m(R/M))( dT û T(dP/P)), et la formule (1) s'écrit (2) (mCp+mcCc)(dT/T) = ((mR)/M)(dP/P) sachant que Cp C,, = R/M, et où Cp est la chaleur massique du gaz à pression constante. La formule (2) permet d'établir la formule (3) (T/To)k = P/Po 25 qui relie la variation de la température du mélange et la pression P, depuis l'état initial où T=T0 et P=Po, où on a noté k = (M(mCP+mcCc))/(mR). La formule (3) s'écrit aussi k = (Ln(P/Po))/(Ln(T/To)). Ainsi, dans une partie élémentaire de transformation thermodynamique d'une phase 1 ou d'une phase 2, où le mélange de calocontacteur et de fluide thermodynamique, 30 assimilable à un gaz parfait, évolue, depuis une température initiale To, à l'équilibre thermique et sans apport ou évacuation de masse ou de chaleur, en passant d'une pression initiale Po à une pression finale Pl, la valeur minimale de rm= mc/m, rapport de la masse du calocontacteur à la masse de gaz thermodynamique dans le mélange, nécessaire pour que la température finale soit T1, proche de To afin que les conditions 35 soient quasi isothermes, peut être déterminé par la formule: (4) rn, = (R/(MC,))(((Ln(P1/Po))/(Ln(TI/To))) û ((M'CP)/R)) où (MCp)/R est une constante caractéristique du gaz parfait ( (MCP)/R vaut notamment 2,5 pour un gaz parfait monoatomique et 3,5 pour un gaz parfait diatomique aux molécules indéformables). 40 Dans cette même partie élémentaire de la transformation, le rapport r,, du volume occupé par le calocontacteur au volume occupé par le gaz thermodynamique, à a pression P comprise entre Po et P1, et la température T comprise entre To et T1, est donné par l'expression (5) r, = (P/(peCcT))(((Ln(P1/Po))/(Ln(T1/To))) û ((MCr)/R)), où pe est la 45 masse volumique du calocontacteur. T1 étant généralement proche de To, en notant T1 = To + AT, (5) peut généralement s'écrire (6) r, = (P/(pCcT)) ((To/AT)(Ln(P1/Po)) ù ((MCp)/)). This point can be illustrated by determining the amount or quantities of calocontactor to be mixed with the thermodynamic fluid, according to whether the calocontactor is mixed and introduced then discharged at once, or is introduced and / or discharged gradually, or in a staged manner. during the thermodynamic transformation, while mixing a sufficient amount of calocontactor so that the temperature variation of the mixture is low throughout and after the transformation. The thermodynamic fluid is considered at this stage as a perfect gas, and continuously in near thermal equilibrium with the calocontactor when it is mixed with it. Let us consider an elementary part of thermodynamic transformation of a phase 1 or a phase 2, where the mixture of calocontactor and thermodynamic gas evolves, from an initial state to the thermal equilibrium, without contribution or evacuation of mass or heat. To determine the amount of heat exchange required for the transformation to be almost isothermal, the internal energy balance of the two-phase mixture constituted by thermodynamic gas and calocontactor, in thermal equilibrium, whose temperature T and the pressure P varies respectively from dT and dP, and receiving the work of W, by the formula (1) (mCa + mcCc) dT = dW where m is the mass of gas, Cv its constant volume constant heat, mc the mass of calocontactor mixed with the gas and Cc its specific heat. The work dW, received by the gas, is dW = - (m (R / M)) (dT - T (dP / P)), and the formula (1) is written (2) (mCp + mcCc) (dT / T) = ((mR) / M) (dP / P) given that Cp C ,, = R / M, and where Cp is the mass heat of the gas at constant pressure. The formula (2) makes it possible to establish the formula (3) (T / TB) k = P / Po 25 which relates the variation of the temperature of the mixture and the pressure P, from the initial state where T = T0 and P = Po, where k = (M (mCP + mcCc)) / (mR) was noted. The formula (3) is also written k = (Ln (P / Po)) / (Ln (T / To)). Thus, in an elementary part of thermodynamic transformation of a phase 1 or a phase 2, where the mixture of calocontactor and thermodynamic fluid, comparable to a perfect gas, evolves, from an initial temperature To, to the equilibrium thermal and without mass or heat supply or discharge, by passing from an initial pressure Po to a final pressure Pl, the minimum value of rm = mc / m, the ratio of the mass of the calocontactor to the mass of thermodynamic gas in the mixture, necessary for the final temperature to be T1, close to To so that the conditions are almost isothermal, can be determined by the formula: (4) rn, = (R / (MC,)) (((Ln (P1 Where (MCp) / R is a constant characteristic of the perfect gas ((MCP) / R is in particular 2.5 a perfect monoatomic gas and 3.5 for a perfect diatomic gas with indeformable molecules). In this same elementary part of the transformation, the ratio r 1 of the volume occupied by the calocontactor to the volume occupied by the thermodynamic gas, at a pressure P between P 1 and P 1, and the temperature T between T 0 and T 1, is given by the expression (5) r, = (P / (peCcT)) (((Ln (P1 / Po)) / (Ln (T1 / To))) û ((MCr) / R)), where pe is the density of the calocontactor. T1 being generally close to To, noting T1 = To + AT, (5) can generally be written (6) r, = (P / (pCcT)) ((To / AT) (Ln (P1 / Po)) where ((MCp) /)).
Sur ces bases, on peut établir et illustrer les conditions quantitatives selon l'invention de mise en oeuvre d'un calocontacteur dans son mélange avec le gaz thermodynamique lors d'une compression ou d'une détente quasi isotherme. On soulignera qu'afin que les appareils et composants du dispositif et procédé puissent, lorsque c'est utile ou nécessaire, avoir un volume ou un encombrement limité, il est nécessaire que le fluide thermodynamique puisse évoluer dans des gammes de pression de valeurs élevées (typiquement jusqu'à une centaine de fois la pression atmosphérique ou même davantage). Les exemples numériques qui suivent tiennent compte de ce pont. A titre d'illustration, considérons d'abord la situation où le calocontacteur serait mélangé avec le gaz thermodynamique avant que le mélange ne soit introduit en une seule fois dans un appareil de détente, en vue d'une détente quasi isotherme depuis la pression Po jusqu'à la pression P1. Pour un mélange préformé calocontacteur chaud û gaz thermodynamique, à la température initiale To = 1200 °K et la pression initiale Po, où le fluide thermodynamique est un gaz parfait monoatomique où (CPM)/R = 5/2., où le calocontacteur a les valeurs de chaleur massique Cc = 1255 J.kg 1(°K)-1 et de p.Cc = 106 Jm 3(°K)-1, et où le mélange se détend jusqu'à la pression PI où il atteint la température TI = 1100°K, le tableau II donne la valeur maximale r,,,x de r,,, pour P=I'o, en fonction de Po et du rapport de détente PI/Po. PI/Po Po=150 x105 Pa Po=80 x105 Pa Po=10 x105 Pa 1/10 rvmax (Po) = 0,3 rvmax (Po) = 0,16 rvmax (Po) = 0,02 1/30 rvmax (Po) = 0,46 rvmax (Po )= 0,24 rvmax (Po) = 0,03 Tableau Il De façon similaire, dans le cas d'une compression quasi isotherme d'un mélange préformé calocontacteur froid û fluide thermodynamique, à la température initiale To = 290°K et la pression Po , où le fluide thermodynamique est un gaz parfait monoatomique où (CpM)/R = 5/2, où le calocontacteur a les valeurs de chaleur massique Cc = 950 J.kg"1(°K)"1 et de pcCc = 8x105 Jm3(°K)'1, et où le mélange est compressé jusqu'à la pression PI , où il atteint la température TI = 314 °K, le tableau ]II donne la valeur de r,,,t,ax pour P=PI, en fonction du rapport de compression PI/Po. P1/Po P1= 150 x105 Pa P1= 80 x105 Pa P1= 10 x105 Pa 10 rvmax(P1) = 1,58 rvmax(PI) = 0,84 _ rvmax(P1) = 0,1 rm,ax (PI) = 2,4 rvmax (PI) = 1,28 rvmax (P1) = 0,16 Tableau III On voit sur ces deux exemples que la plupart des valeurs rvnux sont supérieures ou très supérieures à 0,1 ce qui correspondrait à des configurations où le volume du 30 calocontacteur dans le mélange deviendrait très significatif et la configuration (lu mélange très différente de celle d'un brouillard ou de gouttelettes de calocontacteur dispersés dans le fluide thermodynamique et où les conditions de fonctionnement des appareils s'éloigneraient fortement de celles d'un appareil de détente ou de compression du fluide thermodynamique seul, configurations qui ne sont pas de nature à permettre un fonctionnement satisfaisant de ces appareils. Notamment toutes les valeurs du tableau III sont supérieures à 0,1, ce qui conduit pratiquement à exclure de réaliser une compression quasi isotherme au dessus de 106 Pa d'un mélange fluide thermodynamique û calocontacteur qui serait introduit en une seule fois à l'entrée et maintenu à l'intérieur du dispositif réalisant la compression. On these bases, it is possible to establish and illustrate the quantitative conditions according to the invention for implementing a calocontactor in its mixture with thermodynamic gas during compression or almost isothermal expansion. It should be emphasized that in order that the devices and components of the device and method can, when useful or necessary, have a limited volume or size, it is necessary for the thermodynamic fluid to be able to evolve in high pressure ranges ( typically up to a hundred times atmospheric pressure or even more). The following numerical examples take this bridge into account. By way of illustration, let us first consider the situation where the calocontactor would be mixed with the thermodynamic gas before the mixture is introduced all at once into an expansion device, with a view to an almost isothermal relaxation from the pressure Po. up to the pressure P1. For a preformed calocontactor hot-gas thermodynamic mixture, at the initial temperature To = 1200 ° K and the initial pressure Po, where the thermodynamic fluid is a perfect monoatomic gas where (CPM) / R = 5/2., Where the calocontactor has the heat values Cc = 1255 J.kg 1 (° K) -1 and p.Cc = 106 Jm 3 (° K) -1, and where the mixture relaxes to the pressure P1 where it reaches the temperature TI = 1100 ° K, Table II gives the maximum value r ,,, x of r ,,, for P = l0, as a function of Po and the expansion ratio PI / Po. PI / Po Po = 150 × 10 Pa Pa = 80 × 10 Pa Pa = 10 × 10 Pa 1/10 r max (Po) = 0.3 r max (Po) = 0.16 r max (Po) = 0.02 1/30 r max ( Po) = 0.46 rvmax (Po) = 0.24 rvmax (Po) = 0.03 Table II Similarly, in the case of a quasi-isothermal compression of a preformed cold calocontactor-thermodynamic fluid mixture, at the initial temperature To = 290 ° K and the pressure Po, where the thermodynamic fluid is a perfect monoatomic gas where (CpM) / R = 5/2, where the calocontactor has the heat values Cc = 950 J.kg-1 ( ° K) "1 and pcCc = 8x105 Jm3 (° K) '1, and where the mixture is compressed to the pressure PI, where it reaches the temperature TI = 314 ° K, the table] II gives the value of r ,,, t, ax for P = PI, as a function of the compression ratio PI / Po. P1 / P1 P1 = 150 x105 P1 P1 = 80 x105 Pa P1 = 10 x105 Pa 10 rvmax (P1) = 1.58 rvmax (PI) = 0.84-rvmax (P1) = 0.1 rm, ax (PI) = 2.4 rvmax (PI) = 1.28 rvmax (P1) = 0.16 Table III We see on these two examples that most of the rvnux values are higher or much higher than 0.1 which would correspond to configurations where the volume of the calocontactor in the mixture would become very significant and the configuration of the mixture very different from that of a fog or droplets of calocontactor dispersed in the thermodynamic fluid and where the operating conditions of the apparatus would depart significantly from those of an apparatus for relaxing or compressing the thermodynamic fluid alone, configurations which are not such as to allow satisfactory operation of these apparatuses, in particular all the values in Table III are greater than 0.1, which practically excludes perform an almost isothermal compression over 106 Pa of a thermodynamic fluid mixture - calocontactor that would be introduced at once to the inlet and kept inside the device performing the compression.
Ce mode de mise en mélange n'est donc généralement pas adapté, et il convient d'effectuer la mise en mélange de façon progressive ou étagée. On peut illustrer ce point en considérant une introduction progressive du calocontacteur afin de pouvoir réduire les valeurs de rvmax les plus élevées, en l'illustrant sur le cas d'une détente où le calocontacteur est introduit progressivement, depuis la valeur zéro, à mesure de la transformation quasi isotherme. La quantité dmä de calocontacteur rajoutée afin que la température du mélange gaz -- calocontacteur s'établisse et se maintienne à la valeur T1=To+4T, lorsque la pression passe de P à P+dP est donnée par le bilan d'énergie : Ce 4T dme =dW=m(R/M)(To+4T)(dP/P) et la valeur de me en fonction de la pression finale P1 est donnée par l'expression (7) me(P1) = ((mR(To+4T))(Ln(P1/Po)))/(CCT) et rm = me/m, et le rapport r,,(P) est donné par (8) rä(P) =_ (PLn(PI/Po))/(pcCc4T). This method of mixing is therefore generally not suitable, and it is appropriate to carry out mixing in a progressive or stepped manner. This point can be illustrated by considering a progressive introduction of the calocontactor in order to be able to reduce the highest values of rvmax, by illustrating it on the case of a relaxation where the calocontactor is introduced gradually, since the value zero, as the almost isothermal transformation. The amount of calocontactor added so that the temperature of the gas-calocontactor mixture is established and maintained at the value T1 = To + 4T, when the pressure goes from P to P + dP is given by the energy balance: This 4T dme = dW = m (R / M) (To + 4T) (dP / P) and the value of me as a function of the final pressure P1 is given by the expression (7) me (P1) = (( mR (To + 4T)) (Ln (P1 / Po))) / (CCT) and rm = me / m, and the ratio r ,, (P) is given by (8) rä (P) = _ (PLn (PI / Po)) / (pcCc4T).
Dans le cas d'une détente la masse me est nulle au début de la transformation et maximale en fin de transformation. Le rapport r,, est maximum en fin de transformation. Le tableau IV donne la valeur de r,,max dans le cas d'une détente quasi isotherme avec les mêmes caractéristiques que celles utilisées pour établir le tableau H. P1/Po Po=150 x105 Pa Po==80 x105 Pa Po =10 x105 Pa 1/10 rvmax (Po)= 0,03 rvmax (Po)= 0,02 rvmax (Po)= 0,002 1/30 rvmax (Po)= 0,02 rämax (Po)= 0,009 _ rvmax (Po)= 0,001 Tableau IV On voit ainsi que dans tous les cas considérés, les valeurs de rvmax sont faibles et correspondent à des configurations de type gouttelettes ou brouillard de calocontacteur dispersés dans le fluide thermodynamique. Par contre, dans le cas d'une compression, avec les mêmes caractéristiques que celles utilisées pour le tableau III, les valeurs maximales rvmax obtenues en fin de transformation restent très proches des valeurs de rvmax obtenues dans le cas de l'introduction du calocontacteur en une seule fois au début de la transformation, données dans le tableau III, et présentent donc toujours des valeurs très supérieures à 0,1. Afin de réduire encore la valeur de rvmax lors de la transformation, il convient d'introduire et d'évacuer le calocontacteur de façon progressive ou étagée, soit au sein du même appareil de compression, soit en effectuant la compression de façon étagée dans plusieurs appareils placés en série, et dans lesquels le calocontacteur est introduit à la température To à l'entrée de chaque appareil, ou étage, puis séparé après la sortie et évacué, et ceci va être illustré ci - après dans le cas d'une compression. On effectue ainsi la compression de façon étagée, où la masse mC1 de calocontacteur est introduite à la température To et mélangée et mise à l'équilibre thermique avec le gaz thermodynamique à la pression Pi , juste avant l'entrée dans l'étage de compression Pi -* P puis séparé et évacué en sortie à la pression Pi+1, et ensuite une masse mC1+, de calocontacteur à la température To est à nouveau introduite et mélangée avec le gaz thermodynamique, et ainsi de suite jusqu'au nème et dernier étage de compression, d'où le gaz thermodynamique et le calocontacteur sortent à la température T'ä et la pression P,,. L'évolution de la température du gaz thermodynamique et du calocontacteur avec lequel il est en équilibre thermique est illustrée sur la figure 7. Au niveau du ième étage, la formule (3) s'écrit ki == Ln(Pi/Pi_1)/Ln (Ti/Ti4), avec ki = (mCp+me1Ce)/((1nR)/M). Si le rapport de compression est le même à chaque étage, et que l'on introduit en entrée et évacue après sortie la même masse nk de calocontacteur à chaque étage, Pi/P1_1= (P./Po)1~° d'où Ln(Pi/Pi..1) = (1/n)Ln(P,,/Po), ki = k = (M(meCe+niCp))/(mR), et donc Ln(T'i/T1_1) = (1/(kn))Ln(Pä/Po) = (((mR)/M)/(mCp+mcC))(1/n)(Ln(Pn/Po)). Si la masse me est suffisante, Ln (T'1/Ti_1) est très proche de la valeur Ln(T 1/Ti_1) = ( T'1- T1_1)/Ti_1 qui est proche de la valeur Ln(T'1/Ti_1) = ( T'i - Ti_1)/T*, où T* est un valeur moyenne de la température, entre la température To et la température T'n, elle même assez proche de To, et Ti et T1_1 sont reliés par la formule (9) T', ù T,_1= (mRT*Ln(Pnrn0))/(nM(meCe+mCp)). Le bilan d'énergie interne lorsque s'effectue, entre le ieme et le (i+Dème étage, un nouveau mélange d'un masse me de calocontacteur, à la température initiale To, avec le gaz thermodynamique sorti du ième étage (et séparé du calocontacteur avec lequel il avait ét é précédemment mis en mélange) est donné par la formule mCpT'1+meCeTo = (rnCp+meCe)Ti et (10) Ti = ((mCpT 1)/(mCp+meCe)) + ((meCeTo)/(mCp+meCe)). En exprimant la récurrence des formules (9) et (10), on obtient l'expression de T'i, donnée par (11) T'i = To + (RT*Ln(Pn/Po)b(1-b'))/(MCrn(1-b)) avec (12) b=(mCp)/(mCp+meCe). Pour i=n, l'expression (11) s'écrit (13) T'n û To = (RT*Ln(Pn/P0)b(l-bn))/(MCpn(1-b)). Les expressions (12) et (13) permettent de déterminer la quantité minimale de calocontacteur mej à la température initiale To, à introduire avant chaque étape de compression, afin que la variation de température du gaz thermodynamique, entre l'entrée du premier étage et la sortie du dernier étage soit limitée à une valeur donnée de T'n û T0. Le rapport rvi du volume de calocontacteur au volume de gaz thermodynamique, dans le ie1e étage de compression est maximum dans le nème et dernier étage et vaut r,,n ax = (Mm~n)/(pernRT'n), où me est déterminé par les formules (12) et (13), T* prenant une valeur moyenne entre T0 et T'n. Le tableau V donne la valeur de r,,,äax dans le cas d'un compression quasi isotherme avec les mêmes caractéristiques que celles utilisées pour le tableau III, et T* prise égale à 300°K. Toutes les valeurs de r,n,ax sont inférieures ou très inférieures à 0,1 et correspondent à des configurations de type brouillard ou gouttelettes. P1/Po P1=150 x105 Pa P1==80x105 Pa P1=10xI05Pa 10 rrnax = 0,03 si n=4 rvmax = 0,01 si n=8 r,,n,ax= 0,1 si n=16 rr,nax= 0,06 si n=16 r~n,ax= 0,007 si n=16 rvmax = 0,006 si n=20 rvmax = 0,09 si n=20 rvmax = 0,05 si n=20 _ 30 rvma x = 0,04 si n=4 rvn,ax= 0,02 si n=8 r,nnax = 0,09 si n=16 r,,max = 0,01 si n=16 rvmax = 0,07 si n=20 rämax = 0,009 si n=20 rvmax = 0,1 si n=26 rvmax = 0,05 si n=26 r~nax = 0,006 si n=26 Tableau V On voit ainsi que, suivant la transformation, compression ou détente, et la gamine de pression, on peut mettre en oeuvre un mode d'introduction et/ou évacuation du calocontacteur qui permette de limiter la fraction de volume occupé par le calocontacteur à des configurations de type brouillard ou gouttelettes de calocontacteur dispersé dans le fluide thermodynamique. Sur la base des principes qualitatifs et quantitatifs de mise en oeuvre d'une détente, respectivement compression, quasi isotherme d'un fluide thermodynamique mis en mélange avec un calocontacteur, la détermination du nombre de parties élémentaires de la transformation, de leurs caractéristiques d'entrée (P,T) et de sortie (P',T'), les débi.:s minimum de calocontacteur à introduire, et/ou à évacuer, peuvent être déterminés par les méthodes de l'état de l'art et des sciences mathématiques ,et physiques, notamment en fonction des conditions amont (Po, To) et aval (P1, T1) de l'ensemble de la transformation, des caractéristiques du calocontacteur et du fluide thermodynamique et des valeurs de r,, choisies. In the case of a relaxation the mass is zero at the beginning of the transformation and maximum at the end of the transformation. The ratio r ,, is maximum at the end of transformation. Table IV gives the value of r ,, max in the case of an almost isothermal expansion with the same characteristics as those used to establish Table H. P1 / Po Po = 150 × 10 5 Pa Po == 80 × 10 Pa Pa = 10 x105 Pa 1/10 rvmax (Po) = 0.03 rvmax (Po) = 0.02 rvmax (Po) = 0.002 1/30 rvmax (Po) = 0.02 rmax (Po) = 0.009-rvmax (Po) = 0.001 Table IV It can thus be seen that in all the cases considered, the values of rvmax are low and correspond to droplet type or calocontactor fog configurations dispersed in the thermodynamic fluid. On the other hand, in the case of a compression, with the same characteristics as those used for Table III, the maximum values rvmax obtained at the end of the transformation remain very close to the values of rvmax obtained in the case of the introduction of the calocontactor into only once at the beginning of the transformation, given in Table III, and therefore always have values much higher than 0.1. In order to further reduce the value of rvmax during processing, the calocontactor should be introduced and evacuated gradually or in stages, either within the same compression apparatus or by performing the staged compression in several apparatuses. placed in series, and in which the calocontactor is introduced to the temperature To at the inlet of each device, or floor, then separated after the outlet and discharged, and this will be illustrated hereinafter in the case of a compression. The compression is thus carried out in a stepped manner, in which the mass mC1 of the calocontactor is introduced at the temperature To and mixed and put at thermal equilibrium with the thermodynamic gas at the pressure Pi, just before entering the compression stage. Pi - * P then separated and discharged at the pressure Pi + 1, and then a mass mC1 +, calocontactor at the temperature To is again introduced and mixed with the thermodynamic gas, and so on until the nth and last compression stage, from which the thermodynamic gas and the calocontactor go out at the temperature T'ä and the pressure P ,,. The evolution of the temperature of the thermodynamic gas and the calocontactor with which it is in thermal equilibrium is illustrated in FIG. 7. At the level of the ith level, the formula (3) is written ki == Ln (Pi / Pi_1) / Ln (Ti / Ti4), with ki = (mCp + me1Ce) / ((1nR) / M). If the compression ratio is the same at each stage, and we introduce at the inlet and evacuate after output the same mass nk of calocontactor at each floor, Pi / P1_1 = (P./Po)1~° where Ln (Pi / Pi..1) = (1 / n) Ln (P ,, / Po), ki = k = (M (meCe + niCp)) / (mR), and therefore Ln (T'i / T1_1) ) = (1 / (kn)) Ln (Pa / Po) = (((mR) / M) / (mCp + mcC)) (1 / n) (Ln (Pn / Po)). If the mass is sufficient, Ln (T'1 / Ti_1) is very close to the value Ln (T 1 / Ti_1) = (T'1-T1_1) / Ti_1 which is close to the value Ln (T'1 / Ti_1) = (T'i - Ti_1) / T *, where T * is a mean value of the temperature, between the temperature To and the temperature T'n, itself close enough to To, and Ti and T1_1 are connected by formula (9) T ', where T, _1 = (mRT * Ln (Pnrn0)) / (nM (meCe + mCp)). The internal energy balance when a new mixture of a mass of calocontactor, at the initial temperature To, is effected between the first and the third stage (i + Dth), with the thermodynamic gas leaving the ith stage (and separated of the calocontactor with which it had been previously mixed) is given by the formula mCpT'1 + meCeTo = (rnCp + meCe) Ti and (10) Ti = ((mCpT 1) / (mCp + meCe)) + ( (MeCeTo) / (mCp + meCe)) By expressing the recurrence of the formulas (9) and (10), we obtain the expression of T'i, given by (11) T'i = To + (RT * Ln (Pn / Po) b (1-b ')) / (MCrn (1-b)) with (12) b = (mCp) / (mCp + meCe) For i = n, the expression (11) s (13) T'n û To = (RT * Ln (Pn / P0) b (l-bn)) / (MCpn (1-b)) The expressions (12) and (13) make it possible to determine the minimum amount of calocontactor mej at the initial temperature To, to be introduced before each compression step, so that the temperature variation of the thermodynamic gas, between the inlet of the first stage and the outlet of the last shelf e be limited to a given value of T'n - T0. The ratio rvi of the volume of the calocontactor to the volume of thermodynamic gas, in the ith compression stage, is maximum in the nth and last stage and is equal to r ,, n ax = (Mm ~ n) / (pernRT'n), where m is determined by the formulas (12) and (13), T * taking a mean value between T0 and T'n. Table V gives the value of r ,,, äax in the case of an almost isothermal compression with the same characteristics as those used for Table III, and T * taken equal to 300 ° K. All values of r, n, ax are less than or much less than 0.1 and correspond to fog or droplet type configurations. P1 / Po P1 = 150 x105 Pa P1 == 80x105 Pa P1 = 10xI05Pa 10 rrnax = 0.03 if n = 4 rvmax = 0.01 if n = 8 r ,, n, ax = 0.1 if n = 16 rr , nax = 0.06 if n = 16 r ~ n, ax = 0.007 if n = 16 rvmax = 0.006 if n = 20 rvmax = 0.09 if n = 20 rvmax = 0.05 if n = 20 _ 30 rvma x = 0.04 if n = 4 rvn, ax = 0.02 if n = 8 r, nnax = 0.09 if n = 16 r ,, max = 0.01 if n = 16 rvmax = 0.07 if n = R = 0.009 if n = 20 rvmax = 0.1 if n = 26 rvmax = 0.05 if n = 26 r = nax = 0.006 if n = 26 Table V We can see that, depending on the transformation, compression or expansion, and the pressure ladle, it is possible to implement a mode of introduction and / or evacuation of the calocontactor which makes it possible to limit the fraction of volume occupied by the calocontactor to configurations of fog or droplet type of calocontactor dispersed in the thermodynamic fluid. On the basis of the qualitative and quantitative principles of implementation of a relaxation, respectively compression, quasi isothermal of a thermodynamic fluid mixed with a calocontactor, the determination of the number of elementary parts of the transformation, their characteristics of input (P, T) and output (P ', T'), the minimum flow of calocontactor to introduce, and / or to evacuate, can be determined by the methods of the state of the art and mathematical and physical sciences, particularly as a function of the upstream (Po, To) and downstream (P1, T1) conditions of the whole of the transformation, of the characteristics of the calocontactor and the thermodynamic fluid and the r ,, values chosen.
Lorsque le fluide thermodynamique n'est pas assimilable à un gaz parfait, en exprimant son enthalpie massique h sous la forme h = CpT + KP + B et le produit de sa pression P par son volume massique v sous la forme Pv = ((RT)/M)(l+ (EN ;,1 A;P')), connue ce l'état des sciences du domaine, où N est le degré convenable de l'expression polynomiale en P permettant de correctement représenter la valeur réelle du produit Pv par la précédente expression, et où Cp, chaleur massique à pression constante du fluide thermodynamique, K, B et les coefficients Ai sont des valeurs constantes et moyennes sur la gamme de température et pression parcourue par le fluide thermodynamique lors de la phase 1 ou 2, par la même démarche que celle présentée dans l'établissement et l'enchaînement des formules (1) à (6), et que peut vérifier l'homme de l'art, et on peut alors notamment déterminer rm par l'expression rm = (E ( F û G + H)) û L, où E = 1 /(Cc(Ln(T'/T))), F = (R/M)(Ln(P'/P)), G = (K/2)(P' û P)(( l /T')+(1 /T)), H = (R/M)(EN1((A'/i)(P'' û P'))), L = CP/Ce, et le rapport r., peut être déterminé par l'expression r,, = rm/(pcv). Les éléments présentés ci-dessus, notamment les expressions donnant rm et r,,, selon que le fluide thermodynamique est assimilable ou non à un gaz parfait, lorsqu'une étape de détente avec production d'énergie mécanique, respectivement compression avec réception d'énergie mécanique, quasi isotherme est effectuée selon l'invention dans un cycle thermodynamique, et réalisée sous la forme d'une ou plusieurs sous étapes comprenant une phase 1, respectivement 2, peuvent, selon les méthodes connues des sciences et de l'art: * permettre de déterminer les valeurs de rm et r,, à chaque phase 1, respectivement 2, où le calocontacteur et le fluide thermodynamique sont mis en mélange lors de chaque phase 1, respectivement phase 2, puis le calocontacteur refroidi, respectivement réchauffé, à l'issue de la susdite phase 1, respectivement phase 2, est séparé du fluide thermodynamique qui à nouveau mélangé avec du calocontacteur plus chaud, respectivement plus froid, et ils effectuent en mélange la phase 1, respectivement suivante, * de même servir de base pour déterminer la répartition des valeurs de rm et r,, en fonction de la position dans les zones occupées par le mélange fluide thermodynamique û calocontacteur à l'intérieur des appareils du dispositif et procédé, lorsque le calocontacteur est introduit et/ou évacué de façon continue et/ou progressive à mesure de la transformation, au cours d'une phase 1, respectivement phase 2, et ceci peut permettre de définir des conditions qualitatives, telles que le nombre de successions de phases 1, respectivement 2, suivies d'une séparation, puis d'une nouvelle introduction de calocontacteur, et quantitatives, telles que les quantités de calocontacteur introduites en une fois lors d'une sous étape, ou introduites et/ou évacuées, progressivement et/ou de façon étagée, au cours d'une phase 1, respectivement 2, ]lors d'une étape de détente, respectivement compression, quasi isotherme, de telle sorte que la variation de la température du fluide thermodynamique lors de l'étape de détente, respectivement compression, soit limitée et inférieure à une valeur donnée, et que la valeur maximale du rapport r,, soit inférieure à une valeur donnée. Concernant les conditions de mise en oeuvre d'une phase 3, le calocontacteur est mis en mélange avec le fluide thermodynamique dans une transformation où celui-ci échange de la chaleur avec le calocontacteur, sans recevoir ou produire de travail. Grâce notamment à la surface d'échange importante entre le calocontacteur, notamment finement divisé, et aux conditions favorisant les échanges thermiques, ceci permet de réaliser des échanges thermiques très efficaces, et ceci dans un encombrement limité •et sans recourir à des, échangeurs à parois, ceci est de nature à permettre de mettre aisément en oeuvre des échanges thermiques multiples et/ou à contre courant, tels que régénératifs, et permettre des applications à des systèmes mobiles. When the thermodynamic fluid is not comparable to a perfect gas, by expressing its mass enthalpy h in the form h = CpT + KP + B and the product of its pressure P by its mass volume v in the form Pv = ((RT ) / M) (l + (EN; 1A; P ')), known as the state of the sciences of the domain, where N is the appropriate degree of polynomial expression in P to correctly represent the real value of the product Pv by the preceding expression, and where Cp, constant pressure constant heat of the thermodynamic fluid, K, B and the coefficients Ai are constant and average values over the range of temperature and pressure traversed by the thermodynamic fluid during phase 1 or 2, by the same approach as that presented in the establishment and the sequence of formulas (1) to (6), and that can be verified by those skilled in the art, and we can then notably determine rm by the expression rm = (E (F û G + H)) û L, where E = 1 / (Cc (Ln (T '/ T))), F = (R / M) (Ln (P' / P)), G = (K / 2) (P 'û P) ((1 / T') + (1 / T)), H = (R / M) (EN 1 ((A '/ i) (P' 'û P') )), L = CP / Ce, and the ratio r., Can be determined by the expression r ,, = rm / (pcv). The elements presented above, especially the expressions giving rm and r ,,, depending on whether the thermodynamic fluid is assimilable or not to a perfect gas, when a step of expansion with production of mechanical energy, respectively compression with reception of mechanical energy, quasi isothermal is carried out according to the invention in a thermodynamic cycle, and carried out in the form of one or more sub-stages comprising a phase 1, respectively 2, may, according to the known methods of science and art: * to determine the values of rm and r ,, at each phase 1, respectively 2, where the calocontactor and the thermodynamic fluid are mixed during each phase 1, respectively phase 2, then the cooled calocontactor, respectively heated, to the outcome of the aforesaid phase 1, phase 2 respectively, is separated from the thermodynamic fluid which is again mixed with hotter or colder calocontactor, and Phase I and following are respectively mixed in the same way, as a basis for determining the distribution of the values of rm and r ,, as a function of the position in the zones occupied by the thermodynamic fluid-calocontactor mixture within the devices of the device and method, when the calocontactor is introduced and / or discharged continuously and / or progressively during the transformation, during a phase 1, respectively phase 2, and this can allow to define qualitative conditions, such as the number of successions of phase 1, respectively 2, followed by a separation, then a new introduction of calocontactor, and quantitative, such as the quantities of calocontactor introduced at once during a sub-step, or introduced and / or evacuated, gradually and / or staggered, during a phase 1, respectively 2,] during a relaxation step, respectively compression, quasi isothermal, d e such that the variation of the temperature of the thermodynamic fluid during the expansion step, respectively compression, is limited and less than a given value, and the maximum value of the ratio r ,, is less than a given value. Concerning the conditions of implementation of a phase 3, the calocontactor is mixed with the thermodynamic fluid in a transformation where it exchanges heat with the calocontactor, without receiving or producing work. Thanks in particular to the large exchange surface between the heat sink, especially finely divided, and conditions favoring heat exchange, this allows for very efficient heat exchange, and this in a limited space • and without resorting to heat exchangers. walls, this is likely to allow to easily implement multiple heat exchanges and / or against the current, such as regenerative, and allow applications to mobile systems.
Pour illustrer la surface d'échange par unité de volume particulièrement importante d'une phase 3, à titre de comparaison, considérons d'abord un échangeur à parois typique dont la géométrie de base est un réseau carré de pas p (distance entre deux axes de tubes voisins) de tubes de diamètre extérieur 0 et d'épaisseur e, à l'intérieur desquels circule un liquide et à l'extérieur desquels circule un gaz (fluide thermodynamique). F,n utilisant un tel échangeur à parois pour effectuer l'échauffement isobare du gaz, la surface d'échange par unité de volume total est (Ir 0)/p2, soit avec les valeurs typiques 0= 10"2 m, p = 1,62x10"2 m, e =10-3 m, (7C 0)/p2 = 120 m2 par m3. Si maintenant on considère que l'échange thermique se fait en mélangeant avec le fluide thermodynamique un calocontacteur sous forme finement dispersée, typiquement sous forme de gouttelettes de diamètre moyen égal à 2x104 mi, avec les même valeurs typiques, et les mêmes proportions de gaz et de liquide, la surface d'échange par unité de volume est près cle cinquante fois plus grande que dans le cas de l'échangeur à parois. De plus les phénomènes de mélange, interpénétration et déformations mutuelles, de turbulence à différentes échelles..., sont de nature à rendre très efficaces les échanges ret la mise à l'équilibre thermique entre le fluide thermodynamique et le calocontacteur. Si de plus le calocontacteur a une conductibilité thermique élevée, notamment si le calocontacteur est un métal liquide, les échanges thermiques peuvent être tout particulièrement efficaces. La mise en oeuvre de phases 3 dans le dispositif et procédé permet de réaliser des 40 échanges thermiques très efficaces avec le ou les fluides thermodynamiques, optionnellement multiples, et permet notamment: a) De favoriser la progressivité et la réversibilité des transformations thermodynamiques. On peut en particulier réaliser ainsi une fonction d'échangeur thermique à contre courant entre fluide thermodynamique et calocontacteur, où, notamment grâce aux très bons 45 échanges thermiques, les écarts de température entre eux sont faibles et ils sont en situation d'équilibre statistique. Il est ainsi possible de réaliser l'échauffement A - B d'un cycle de Brayton (figure 5) de façon réversible, ce qui n'est pas assuré dans les systèmes thermodynamiques de l'état des techniques utilisant la combustion d'hydrocarbures dans l'oxygène de l'air, à cause de la rapidité des réactions de combustion. b) De mettre en oeuvre aisément des échanges multiples à contre courant et ainsi: b1) de pouvoir réaliser une fonction d'échangeur régénératif de chaleur du fluide thermodynamique sur lui même; il est ainsi possible par exemple de réaliser aisément l'échauffement A ù> B et le refroidissement C ù> D d'un cycle de Ericsson (figure 3) de façon réversible et régénératrice; b2) de pouvoir aisément mettre en oeuvre au moins deux cycles thermodynamiques alimentés par la même source de chaleur primaire, l'excès de chaleur non utilisé par le premier cycle thermodynamique pouvant être transmis à au moins un autre cycle thermodynamique par des échanges thermiques, notamment à contre courant, mettant en oeuvre des phases 3 avec un calocontacteur; b3) par exemple dans le cas d'un cycle de Brayton où l'air est le fluide thermodynamique et: dont l'oxygène est impliqué dans les réactions générant la chaleur primaire, de pouvoir aisément refroidir l'air à l'issue de la détente quasi adiabatique et pouvoir le recirculer en grande partie dans le cycle, en régulant la quantité d'air frai s introduit, et ainsi la quantité d'oxygène présent dans le gaz introduit dans la chambre de réaction. Les dispositions b2) et b3) permettent de pouvoir mettre en oeuvre un ou plusieurs cycles thermodynamiques dont au moins un utilise l'air comme fluide thermodynamique et dont l'oxygène est impliqué comme réactif dans les réactions générant la chaleur primaire, et de pouvoir effectuer une consommation quasi complète de l'oxygène dans la chambre de réaction, ce qui permet de pouvoir utiliser, et de façon flexible, une large gamme de carburants ou réactifs avec l'oxygène, solides ou pâteux, fragmentés, optionnellement grossièrement, et/ou liquides et/ou gazeux. Concernant la mise en oeuvre d'une phase 4, un calocontacteur est présent dans le milieu même où est générée la chaleur primaire, notamment une chambre de réaction, en étant en mélange avec les réactifs et les résidus des réactions générant la chaleur primaire, et au moins un fluide thermodynamique dans un état compressible, notamment gazeux, et impliqué dans ces réactions. Grâce à sa chaleur massique et à l'accroissement de l'inertie thermique apportée par le calocontacteur, le cas échéant de sa capacité à absorber directement une part de la chaleur primaire, et à l'efficacité des échanges thermiques entre le calocontacteur et les autres corps avec lesquels il est en présence, il est ainsi possible de réaliser la génération de chaleur primaire de façon maîtrisée, stable et robuste, au sens où les conditions de cette génération peuvent s'accommoder des variations des caractéristiques des réactifs introduits et/ou des conditions de leur introduction dans la chambre de réaction. On peut ainsi assurer la maîtrise et la stabilité des réactions et de la température atteinte dans la chambre de réaction, et ainsi : - éviter des températures excessives du fluide thermodynamique, des autres matières et matériaux, et favoriser la tenue des matériaux des composants, éviter des réactions chimiques indésirables..., - éviter l'instabilité, ou même l'impossibilité, de fonctionnent du système, en maintenant une température stable et suffisante pour que les réactions générant la chaleur primaire s'effectuent et s'entretiennent spontanément dans les conditions adaptées, notamment en maintenant en permanence la température à une valeur supérieure à la température de déclenchement des réactions. Afin d'établir et d'illustrer les conditions quantitatives de mise en oeuvre d'une phase .4 dans le dispositif et procédé, considérons le cas où la source de chaleur primaire provient de réactions chimiques de réactifs avec l'oxygène, par exemple la combustio n de matériaux carbonés, où le fluide thermodynamique est de l'air et où la consommation de l'oxygène est incomplète, ce qui implique que toute variation de la quantité de réactifs introduite induit une variation de la chaleur primaire dégagée. Dans la chambre de réaction sous pression, l'air entre à la température Te avec un débit massique De , et l'air, dont la composition en oxygène a été modifiée, en sort à la température de mélange T régnant dans la chambre avec un débit massique D. Le calocontacteur, par exemple un liquide résistant aux conditions de la chambre de réaction ou un solide réfractaire, tel que de la silice sous forme pulvérulente, entre dans la chambre à la même température Te que l'air et avec un débit massique DCe et le calocontacteur sortant est à la température de mélange T régnant dans la chambre avec le débit Des (dans le cas où le calocontacteur est résident, Dœ = Des = 0). Le ou les réactifs (notamment solides, pâteux ou liquides) sont introduits dans la chambre dans laquelle ils se mélangent et réagissent avec l'oxygène, en produisant la puissance thermique On considère qu'autour d'un régime stable de fonctionnement, le système fonctionne dans des conditions où DCe = DeS = Dcmoy et De Ds = Dmoy, Dcmoy et Dmoy désignant la valeur moyenne du débit massique respectivement du calocontacteur et du gaz thermodynamique entrant et sortant de la chambre de réaction, autour du régime de fonctionnement considéré, et que la température d'entrée Te reste constante et égale à la valeur Temoy. Le gaz thermodynamique est considéré comme un gaz parfait. Les échanges thermiques avec les parois et la capacité calorifique de ces dernières ne sont pas pris en compte. L'état de l'art permet d'exprimer le bilan d'enthalpie du mélange gaz thermodynamique ù calocontacteur, par la formule (14) (mCp + meCe)(dT/dt) + (DmoyCp + DcmoyCc )(T _. Te) = où m et 'tic désignent respectivement la masse de gaz et de calocontacteur présent dans la chambre de réaction, et dT/dt la dérivée de la température par rapport au temps. Au régime stable de fonctionnement dT/dt est égale à zéro et la température T est égale à la valeur moyenne Tmoy, avec (15) (DmoyCp + DcmoyCc )(ATmoy) = ~moy Pmoy étant la puissance thermique moyenne générée par les réactions chimiques, autour 30 du régime de fonctionnement stable considéré, et ATmoy = Tmoy - Te. La puissance P peut néanmoins présenter au cours du temps des variations vis à vis de la valeur moyenne Wmoy, notamment si les cinétiques des réactions chimiques et/ou les conditions d'introduction des réactifs présentent des variations au cours du temps, autour de valeurs moyennes. Ces variations de la puissance Ç_P induisent des variations 35 de la température T, et en notant Pr = (W ù JPmoy)/`Pmoy et Tr = (T ù Tmoy)/ATmo.,, l'expression (14) s'exprime, en tenant compte de (15) (16) (dTr/dt) + (1/ti)Tr = (1h) Pr avec (17) Z = (LTmoy/Pmoy)(mCp + mn Cc) 40 où t représente la constante de temps dans la relation dynamique de l'équation (16), qui relie les variations relatives de la température à celles de la puissance. Par exemple si Pr passe instantanément de la valeur zéro (état stable) à la valeur 0,1 (augmentation) instantanée de la puissance thermique de 10%), Tr varie plus lentement et n'atteint I n valeur 0,095 qu'au bout d'un temps égal à 3'r (pour atteindre asymptotiquement la valeur 45 0,1). Ces éléments sont bien connus de l'état des sciences et de l'art des systèmes dynamiques. To illustrate the particularly important exchange surface per unit volume of a phase 3, for comparison, let us first consider a typical wall exchanger whose basic geometry is a square grid of pitch p (distance between two axes of neighboring tubes) of outside diameter tubes 0 and of thickness e, inside which circulates a liquid and outside of which circulates a gas (thermodynamic fluid). F, n using such a wall exchanger to perform the isobaric heating of the gas, the exchange surface per unit of total volume is (Ir 0) / p 2, with the typical values 0 = 10 -2 m, p = 1.62 x 10 -2 m, e = 10-3 m, (7 C 0) / p 2 = 120 m2 per cubic meter. If now we consider that the heat exchange is done by mixing with the thermodynamic fluid a calocontactor finely dispersed form, typically in the form of droplets of average diameter equal to 2x104 mi, with the same typical values, and the same proportions of gas and of liquid, the exchange surface per unit volume is nearly fifty times greater than in the case of the wall exchanger. In addition, the phenomena of mixing, interpenetration and mutual deformations, of turbulence at different scales ..., are of a nature to make the exchange of the thermal equilibrium between the thermodynamic fluid and the calocontactor very efficient. If in addition the calocontactor has a high thermal conductivity, especially if the calocontactor is a liquid metal, the heat exchange can be particularly effective. The implementation of phases 3 in the device and method makes it possible to carry out very efficient thermal exchanges with the thermodynamic fluid or fluids, optionally multiple, and allows in particular: a) To promote the progressivity and the reversibility of thermodynamic transformations. In particular, it is possible to perform a counter-current heat exchanger function between thermodynamic fluid and calocontactor, where, thanks in particular to very good heat exchanges, the temperature differences between them are low and they are in a situation of statistical equilibrium. It is thus possible to perform the heating A - B of a Brayton cycle (FIG. 5) in a reversible manner, which is not ensured in the thermodynamic systems of the state of the art using the combustion of hydrocarbons in the oxygen of the air, because of the rapidity of the combustion reactions. b) to easily implement multiple countercurrent exchanges and thus: b1) to be able to perform a regenerative heat exchanger function of the thermodynamic fluid on itself; it is thus possible, for example, to easily realize the heating A ù> B and the cooling C ù> D of an Ericsson cycle (FIG. 3) reversibly and regeneratively; b2) to be able to easily implement at least two thermodynamic cycles fed by the same primary heat source, the excess heat not used by the first thermodynamic cycle being able to be transmitted to at least one other thermodynamic cycle by heat exchange, in particular against the current, implementing phases 3 with a calocontactor; b3) for example in the case of a Brayton cycle where air is the thermodynamic fluid and whose oxygen is involved in the reactions generating the primary heat, to be able to easily cool the air at the end of the cycle. almost adiabatic relaxation and able to recirculate largely in the cycle, regulating the amount of fresh air introduced, and thus the amount of oxygen present in the gas introduced into the reaction chamber. Provisions b2) and b3) make it possible to implement one or more thermodynamic cycles of which at least one uses air as a thermodynamic fluid and whose oxygen is involved as a reactant in the reactions generating the primary heat, and to be able to perform an almost complete consumption of oxygen in the reaction chamber, which makes it possible to use, and flexibly, a wide range of fuels or oxygen reactants, solid or pasty, fragmented, optionally coarsely, and / or liquid and / or gaseous. Concerning the implementation of a phase 4, a calocontactor is present in the same medium where the primary heat is generated, in particular a reaction chamber, being in a mixture with the reactants and the residues of the reactions generating the primary heat, and at least one thermodynamic fluid in a compressible state, especially gaseous, and involved in these reactions. Thanks to its specific heat and to the increase of the thermal inertia provided by the calocontactor, if necessary of its capacity to absorb directly a part of the primary heat, and to the efficiency of the thermal exchanges between the calocontactor and the others it is thus possible to achieve the primary heat generation in a controlled, stable and robust manner, in the sense that the conditions of this generation can accommodate variations in the characteristics of the introduced reactants and / or conditions of their introduction into the reaction chamber. It is thus possible to ensure the control and the stability of the reactions and the temperature reached in the reaction chamber, and thus: to avoid excessive temperatures of the thermodynamic fluid, other materials and materials, and to promote the resistance of the materials of the components, to avoid undesirable chemical reactions ...; - avoid the instability, or even the impossibility, of the system functioning, by maintaining a stable and sufficient temperature so that the reactions generating the primary heat take place and maintain spontaneously in the suitable conditions, in particular by continuously maintaining the temperature at a value greater than the temperature at which the reactions are triggered. In order to establish and illustrate the quantitative conditions for implementing a phase .4 in the device and method, consider the case where the primary heat source comes from chemical reactions of oxygen reactants, for example the combustion of carbonaceous materials, where the thermodynamic fluid is air and where the consumption of oxygen is incomplete, which implies that any variation in the amount of reactants introduced induces a variation of the primary heat released. In the pressurized reaction chamber, the air enters the temperature Te with a mass flow rate De, and the air, whose oxygen composition has been modified, leaves at the mixing temperature T prevailing in the chamber with a mass flow D. The calocontactor, for example a liquid resistant to the conditions of the reaction chamber or a refractory solid, such as silica in powder form, enters the chamber at the same temperature Te as the air and with a flow rate mass DCe and the outgoing calocontactor is at the mixing temperature T prevailing in the chamber with the flow Des (in the case where the calocontactor is resident, Dœ = Des = 0). The reagent or reagents (in particular solid, pasty or liquid) are introduced into the chamber in which they mix and react with oxygen, producing the thermal power. It is considered that around a stable operating regime, the system operates under conditions in which DCe = DeS = Dcmoy and Ds = Dmoy, Dcmoy and Dmoy designating the mean value of the mass flow rate respectively of the calocontactor and the thermodynamic gas entering and leaving the reaction chamber, around the operating regime considered, and that the inlet temperature Te remains constant and equal to the value Temoy. Thermodynamic gas is considered a perfect gas. Thermal exchanges with the walls and the heat capacity of the latter are not taken into account. The state of the art makes it possible to express the enthalpy balance of the thermodynamic gas-calocontactor mixture, by the formula (14) (mCp + meCe) (dT / dt) + (DmoyCp + DcmoyCc) (Te). where m and tic respectively denote the mass of gas and calocontactor present in the reaction chamber, and dT / dt the derivative of the temperature with respect to time. At the stable operating regime dT / dt is equal to zero and the temperature T is equal to the average value Tmoy, with (15) (DmoyCp + DcmoyCc) (ATmoy) = ~ average Pmoy being the average thermal power generated by the chemical reactions around the stable operating regime considered, and ATmoy = Tmoy - Te. The power P can nevertheless have, over time, variations with respect to the average value Wmoy, especially if the kinetics of the chemical reactions and / or the conditions for introducing the reagents exhibit variations over time, around average values. . These variations of the power C_P induce variations of the temperature T, and by noting Pr = (W ù JPmoy) / `Pmoy and Tr = (T ù Tmoy) / ATmo. ,, the expression (14) expresses , taking into account (15) (16) (dTr / dt) + (1 / ti) Tr = (1h) Pr with (17) Z = (LTmoy / Pmoy) (mCp + min Cc) 40 where t is the time constant in the dynamic relation of equation (16), which relates the relative variations of temperature to those of power. For example, if Pr passes instantaneously from the zero value (stable state) to the instantaneous 0.1 (increase) value of the thermal power by 10%, Tr varies more slowly and reaches a value of 0.095 only after a time equal to 3'r (to reach asymptotically the value 45 0.1). These elements are well known from the state of science and the art of dynamical systems.
La formule (17) montre que la présence d'un calocontacteur dans la chambre de réaction permet d'augmenter considérablement la constante de temps T. Lorsque la masse de calocontacteur est grande devant celle du gaz, la formule (17) s'écrit (18) t = (ATmoy/ IPmoy)(mcCc). The formula (17) shows that the presence of a calocontactor in the reaction chamber considerably increases the time constant T. When the mass of the calocontactor is large compared with that of the gas, the formula (17) is written ( 18) t = (ATmoy / IPmoy) (mcCc).
Ceci permet d'illustrer le bénéfice de la présence d'un calocontacteur en termes de maîtrise et de stabilisation des réactions. En prenant par exemple une chambre de réaction de volume ][,4x I0"3 m3, où l'air est le gaz thermodynamique, à la pression 7x 105 Pa et à la température moyenne de 1100°K, où la puissance thermique moyenne générée par les réactions de combustion est de 75x103 watts et où l'élévation de température de l'air est de 600°K entre l'entrée et la sortie, en l'absence de calocontacteur, la constante de temps donnée par la formule (17) est to = 0,025 s. Avec une valeur aussi faible, il est nécessaire de n'utiliser que des réactifs ayant des caractéristiques très reproductibles, à l'état gazeux, ou initialement à l'état liquide et passant très rapidement à l'état gazeux à l'intérieur de la chambre, afin d'une part de pouvoir ajuster et réguler très précisément leur débit d'introduction dans la chambre de réaction et d'autre part que leur mélange avec l'air soit très rapide, homogène et reproductible. En ajoutant par exemple une masse m, = 0,57 kg d'un calocontacteur, par exemple un solide réfractaire pulvérulent, ayant une chaleur massique C, = 1100 J.kg 1.(°Kf 1, la constante de temps est t = 5 s (soit 200 fois plus grande que to) et ceci permet d'utiliser des réactifs solides pulvérisés, tout en pouvant réguler et stabiliser la température moyenne, et la maintenir toujours au dessous de valeurs maximales indésirables, et au dessus de la température de déclenchement des réactions, et l'auto entretien des réactions est ainsi assurée. En effet, un réactif solide morcelé ou pulvérisé ne peut pas être pratiquement introduit de façon continue, contrairement à un réactif gazeux ou liquide. A titre d'illustration, considérons par exemple comme réactif un combustible solide pulvérisé, ayant un pouvoir calorifique x dans sa combustion avec l'oxygène, et un temps moyen de combustion 8, qui est introduit dans la chambre de réaction, par exemple par une vis sans fin débouchant au niveau de la chambre par un dispositif d'ouverture û occultation, tournant à une fréquence donnée fo, et induisant un débit de carburant q(t) = q°moy( 1+ sin2it fot ), où gG'bmoy est la valeur moyenne du débit de carburant, et l'oxygène n'est que partiellement consommé dans les réactions. La puissance thermique moyenne dégagée est Pmoy = x q'bmoy et la variation relative de la puissance thermique au cours du temps 9r (t) est donnée par: (t) _ (1/(1 + (2nt foe)2))(sin(27t fot) û (2it fob) cos(2it fot)). La variation relative de la température de l'air dans la chambre de combustion est donnée, via l'expression (16), par: Tr(t)=(1/(1+(2itfot)2))(1/(1+(271 fo8)2))(((1- (2it f,)2t8)sin(2itfot))-(2itfo(t+8)cos(2nfot)) i. 40 Dans les conditions et avec les valeurs numériques données ci-dessus, pour une fréquence fo = 1 Hz, et un temps moyen de combustion 8 = 0,l s - si la masse de calocontacteur est nulle, t = to = 0,025 s, la température du fluide thermodynamique dans la chambre de réaction varie entre une valeur maximale de 1604°K, induisant une formation importante de NOx, et une valeur minimale de 596 °K:, 45 rendant problématique l'auto entretien de la combustion, soit une amplitude totale considérable, égale à. 1008°K; -si la masse de calocontacteur est de 0,57 kg, t = 5 s et la température du fluide thermodynamique dans la chambre de combustion varie entre une valeur maximale de 1116°K et une valeur minimale de 1084°K, soit une amplitude totale de 32°K, plus de 30 fois plus faible qu'en l'absence de calocontacteur, et permettant des conditions de fonctionnement satisfaisantes. De façon générale, les fluctuations de la puissance athermique générée par un combustible ou réactif solide fragmenté réagissant avec l'oxygène sont liées, pour des conditions données de la chambre de réaction (teneur en oxygène dans l'air, température, pression...), aux caractéristiques du réactif, notamment la taille des fragments et la surface développée, leur répartition statistique, et à son mode d'introduction dans la chambre de réaction. Afin de caractériser la relation entre les fluctuations de la puissance thermique et celles de la température, l'état des sciences et de l'art du domaine des processus aléatoires et du traitement du signal, tel que présenté par exemple dans les références [1], [2], [3], permet notamment de représenter les caractéristiques des fluctuations par la répartition de leur énergie en fonction de la fréquence, qu'on représente par la densité spectrale de puissance (DSP) qui est une fonction de la fréquence, et si la densité spectrale de puissance des fluctuations de (r,), qui est liée aux caractéristiques du réactif et de son dispositif d'introduction dans la chambre de réaction, est DSP gr (f), l'expression (16) relie ces fluctuations à celles de l', à travers la fonction de transfert H(f), et où (19) I H(f) 12 = 1/(1+(2 rcfti)2) et (20) DSPTr (f) = I H(f) 12DSP9r (f). On note que pour les valeurs basses de f, I H(f) 12 est proche de 1 et lorsque augmente H(f) (2 commence à décroître significativement à partir de la valeur f = (0,1)/ti pour ensuite tendre vers 0 en étant équivalent à 1/(2 rrfr)2. Ainsi, pour une densité spectrale de puissance donnée, liée aux caractéristiques du réactif fragmenté et à son mode d'introduction, on peut, avec une valeur suffisante de i grâce à la présence d'un calocontacteur en quantité suffisante, réduire considérableme:lt DSPTr (f) par rapport à ce que serait la situation sans calocontacteur, et ainsi la variance des fluctuations de Tr (t), qui est donnée par l'expression: +oo (21) 62 (Tr) = J DSPTr (f) df= J I H(f) 12DSF'gr (f) df Dans l'illustration donnée plus°haut, DSP9r (f)e = 6(f-fo)/(2(1+(2ir fo8)2)), où S désigne la distribution de Dirac. Grâce à la présence du calocontacteur, il est même optionnellement possible d'introduire dans la chambre de réaction, de façon continue ou intermittente, un débit d'un second fluide thermodynamique, à l'état liquide, par exemple de l'eau, et qui s'y vaporise, sans changer le débit d'air introduit, et en augmentant bien entendu le débit de réactifs. La présence du calocontacteur permet d'amortir les variations de température qui peuvent être induites par l'introduction de ce second fluide thermodynamique. Notons aussi que, lors des réactions exothermiques sont émis des photons porteurs d'énergie par rayonnement (ainsi que par les corps à haute température présents dans la chambre de réaction) et qu'une partie de ces photons est directement absorbé par le calocontacteur dispersé dans la chambre de réaction, qui joue ainsi un rôle d'écran absorbeur de l'énergie de rayonnement. Une part de la chaleur primaire est ainsi directement absorbée par le calocontacteur chaud. Ainsi, par la mise en oeuvre de phases 1, 2, 3 ou 4 où un fluide 45 thermodynamique et un calocontacteur sont mis en mélange, selon les principes et dispositions présentées plus haut, il est possible: - d'effectuer des cycles thermodynamiques dans des conditions se rapprochant de la réversibilité, et/ou à rendement thermodynamique se rapprochant du rendement de Carnot, notamment par la réalisation de détentes ou de compressions quasi isothermes, mettant en oeuvre en particulier des phases 1, 2 et 3, - de pouvoir effectuer des cycles à combustion interne, et plus généralement avec une gamme plus large de réactions chimiques, où le fluide thermodynamique contient (le l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur et où cet oxygène est impliqué dans les réactions générant la chaleur primaire, en utilisant notamment des réactifs solides, * dans un cycle ouvert sans recyclage, par exemple de Brayton, où l'oxygène n'est que partiellement consommé lors des réactions, en mettant en oeuvre une phase 4 avec un calocontacteur chaud, où les réactifs solides sont finement divisés, notamment sous forme pulvérisée, et consommés à mesure de leur introduction dans la chambre (le réaction où l'oxygène est surabondant, * dans un cycle ouvert avec recyclage, par exemple de Brayton, où le fluide thermodynamique est refroidi après la détente quasi adiabatique, efficacement et dans un volume réduit, par la mise en oeuvre d'une ou plusieurs phases 3 utilisant un calocontacteur froid, et le fluide thermodynamique est partiellement recyclé, la quantité d'air et/ou d'oxygène prélevée à l'extérieur, et remplaçant le fluide thermodynamique rejeté à l'extérieur, étant ajustée pour que soit introduite dans la chambre de réaction la quantité d'oxygène juste nécessaire pour générer la chaleur primaire demandée par le cycle thermodynamique, et où les réactifs solides peuvent être sous forme fragmentés, optionnellement grossièrement, et sont en surabondance dans la chambre de réaction où l'ensemble de l'oxygène utilisable par les réactions est consommé, * dans un cycle ouvert, où l'oxygène utilisable est entièrement consommé dans lm réactions générant lta chaleur primaire dans une chambre de réaction à calocontacteur circulant, celui-ci pouvant transmettre aisément de la chaleur, par la mise en oeuvre de phases 3, à au moins un autre cycle thermodynamique, la totalité de la chaleur primaire étant ainsi utilisée dans au moins deux cycles thermodynamiques. Le dispositif et procédé de la présente invention est ainsi un système thermodynamique à plusieurs sources de chaleur produisant de l'énergie mécanique (système moteur), comportant au moins une source ou un mode de transmission de chaleur primaire à une température haute vers un fluide thermodynamique et/ou un calocontacteur, qui reçoivent cette chaleur primaire, et au moins un moyen par lequel un fluide thermodynamique peut céder de la chaleur à l'extérieur à une température basse, inférieure à la température haute. Les réactions générant la chaleur primaire peuvent être de nature variée, et provenir, de façon générale, des manifestations d'une ou plusieurs des quatre interactions fondamentales de la physique: interaction électromagnétique, interaction faible, interaction f)rte, ou interaction gravitationnelle. L'interaction électromagnétique intervient dans les réactions chimiques entre des molécules et/ou atomes, les interactions fortes et faibles interviennent notamment dans les réactions entre les sous constituants des atomes, notamment le noyau et ses sous constituants. Les phénomènes à l'origine du rayonnement solaire ayant lieu dans une étoile telle que le soleil font intervenir l'ensemble des quatre interactions. Dans le cas des réactions chimiques, celles-ci peuvent notamment être des réactions avec l'oxygène, en particulier contenu dans l'air: - telles que la combustion de matières carbonées de composition générale CHON, c'est à dire constitués de carbone, optionnellement accompagné d'hydrogène, et/ou d'oxygè 1e, et/ou d'azote, comportant éventuellement des fractions d'autres corps (tels que soufre, phosphore, potassium, calcium, magnésium,...), - ou d'autres réactions, comprenant au moins une réaction avec l'oxygène, de corps ou matières de composition autre que CHON, telles que les réactions H2 + y2 02 --> H2O, ou XII + 02 -+ XOH, ou 2X + H2O + 02 ù> 2XOH, où X est un métal alcalin (lithium, sodium, potassium, rubidium, césium), et où l'hydroxyde XOH peut optionnellement être récupéré et ensuite retransformé en l'hydrure XH ou en le métal alcalin X, notamment par électrolyse, qui peuvent à nouveau être utilisés. Les corps ou matières dont les réactions génèrent la chaleur primaire, ou qui en sont les produits ou résidus de réactions, ou un mélange de ces matières entre elles et/ou avec un calocontacteur inerte vis à vis des réactions, peuvent dans certains cas être utilisés comme calocontacteurs dans le dispositif et procédé. Le dispositif et procédé représente un système qui lui-même est constitué de sous-systèmes. Il peut présenter plusieurs configurations et conditions caractéristiques de mise en oeuvre, notamment selon la nature et le mode de génération de la chaleur primaire, la nature du fluide thermodynamique et des calocontacteurs utilisés, les cycles thermodynamiques effectués et les paramètres les caractérisant (pressions et températures aux bornes des transformations thermodynamiques élémentaires...). This allows to illustrate the benefit of the presence of a calocontactor in terms of control and stabilization of reactions. By taking for example a reaction chamber of volume] [, 4x 10-3 m 3, where the air is the thermodynamic gas, at the pressure 7 × 105 Pa and at the average temperature of 1100 ° K, where the average thermal power generated by the combustion reactions is 75x103 watts and where the air temperature rise is 600 ° K between the inlet and the outlet, in the absence of calocontactor, the time constant given by the formula (17 ) is = = 0.025 s With such a low value, it is necessary to use only reagents with highly reproducible characteristics, in the gaseous state, or initially in the liquid state and very rapidly passing to the state gaseous inside the chamber, in order to partly adjust and regulate very precisely their rate of introduction into the reaction chamber and secondly that their mixing with the air is very fast, homogeneous and reproducible By adding for example a mass m, = 0.57 kg of a calo contactor, for example a powdery refractory solid, having a specific heat C, = 1100 J.kg 1. (° Kf 1, the time constant is t = 5 s (ie 200 times greater than to) and this makes it possible to using solid reagents sprayed, while being able to regulate and stabilize the average temperature, and maintain it always below undesirable maximum values, and above the trigger temperature of reactions, and self-maintenance of reactions is ensured. Indeed, a fragmented or pulverized solid reagent can not be practically introduced continuously, unlike a gaseous or liquid reagent. By way of illustration, let us consider for example as reagent a pulverized solid fuel, having a heating value x in its combustion with oxygen, and an average combustion time 8, which is introduced into the reaction chamber, for example by a endless screw opening at the level of the chamber by an opening device occultation, rotating at a given frequency fo, and inducing a fuel flow q (t) = q average (1+ sin2it fot), where gG'bmoy is the average value of the fuel flow, and oxygen is only partially consumed in the reactions. The average thermal power released is Pmoy = x q'bmoy and the relative variation of the thermal power over time 9r (t) is given by: (t) _ (1 / (1 + (2nt foe) 2)) ( sin (27t fot) û (2it fob) cos (2it fot)). The relative variation of the temperature of the air in the combustion chamber is given, via the expression (16), by: Tr (t) = (1 / (1+ (2itfot) 2)) (1 / (1 + (271 fo8) 2)) (((1- (2it f,) 2t8) sin (2itfot)) - (2itfo (t + 8) cos (2nfot)) i. 40 Under the given conditions and numerical values above, for a frequency fo = 1 Hz, and an average combustion time δ = 0, ls - if the calocontactor mass is zero, t = to = 0.025 s, the temperature of the thermodynamic fluid in the reaction chamber varies. between a maximum value of 1604 ° K, inducing significant formation of NOx, and a minimum value of 596 ° K: 45, making the self-maintenance of combustion problematic, ie a considerable total amplitude, equal to 1008 ° K; -if the calocontactor mass is 0.57 kg, t = 5 s and the temperature of the thermodynamic fluid in the combustion chamber varies between a maximum value of 1116 ° K and a minimum value of 1084 ° K, ie a total amplitude 32 ° K, more than 30 f lower than in the absence of calocontactor, and allowing satisfactory operating conditions. In general, fluctuations in the athermic power generated by a fuel or fragmented solid reagent reacting with oxygen are linked, for given conditions of the reaction chamber (oxygen content in the air, temperature, pressure, etc. ), the characteristics of the reagent, in particular the size of the fragments and the developed surface, their statistical distribution, and its mode of introduction into the reaction chamber. In order to characterize the relation between the fluctuations of the thermal power and those of the temperature, the state of the sciences and the art of the domain of the random processes and the signal processing, as presented for example in the references [1] , [2], [3], makes it possible to represent the characteristics of the fluctuations by the distribution of their energy as a function of frequency, which is represented by the power spectral density (PSD) which is a function of the frequency, and if the spectral power density of the fluctuations of (r,), which is related to the characteristics of the reagent and its introduction device in the reaction chamber, is DSP gr (f), the expression (16) relates these fluctuations to that of, through the transfer function H (f), and where (19) IH (f) 12 = 1 / (1+ (2 rcfti) 2) and (20) DSPTr (f) = IH (f) 12DSP9r (f). Note that for the low values of f, IH (f) 12 is close to 1 and as H (f) increases (2 begins to decrease significantly from the value f = (0,1) / ti and then tends to 0 being equivalent to 1 / (2 rrfr) 2. Thus, for a given power spectral density, related to the characteristics of the fragmented reagent and to its mode of introduction, it is possible, with a sufficient value of i, thanks to the presence of a calocontactor in sufficient quantity, reduce considerably: lt DSPTr (f) compared to what would be the situation without a calocontactor, and thus the variance of the fluctuations of Tr (t), which is given by the expression: + oo ( 21) 62 (Tr) = J DSPTr (f) df = JIH (f) 12DSF'gr (f) df In the illustration given above, DSP9r (f) e = 6 (f-fo) / (2 ( 1+ (2ir fo8) 2)), where S denotes the Dirac distribution Thanks to the presence of the calocontactor, it is even optionally possible to introduce into the reaction chamber, continuously or internally. ermittente, a flow of a second thermodynamic fluid, in the liquid state, for example water, and which vaporizes, without changing the rate of air introduced, and of course increasing the rate of reagents. The presence of the calocontactor makes it possible to damp the temperature variations that can be induced by the introduction of this second thermodynamic fluid. It should also be noted that, during the exothermic reactions, radiation-carrying photons (as well as the high-temperature bodies present in the reaction chamber) are emitted and that a part of these photons is directly absorbed by the calocontactor dispersed in the reaction chamber. the reaction chamber, which thus acts as a screen absorber of the radiation energy. Part of the primary heat is thus directly absorbed by the hot calocontactor. Thus, by the implementation of phases 1, 2, 3 or 4 where a thermodynamic fluid 45 and a calocontactor are mixed, according to the principles and provisions presented above, it is possible: to carry out thermodynamic cycles in conditions approaching the reversibility, and / or thermodynamic efficiency approaching the yield of Carnot, in particular by the realization of relaxation or almost isothermal compressions, implementing in particular phases 1, 2 and 3, - to perform internal combustion cycles, and more generally with a wider range of chemical reactions, where the thermodynamic fluid contains oxygen taken from or with outside air and where this oxygen is involved in the reactions generating the primary heat , especially using solid reagents, * in an open cycle without recycling, for example Brayton, where the oxygen is only partially consumed during the reactions. tions, using a phase 4 with a hot calocontactor, where the solid reactants are finely divided, especially in pulverized form, and consumed as they are introduced into the chamber (the reaction where oxygen is superabundant, * in a open cycle with recycling, for example Brayton, where the thermodynamic fluid is cooled after the almost adiabatic expansion, effectively and in a reduced volume, by the implementation of one or more phases 3 using a cold calocontactor, and the thermodynamic fluid is partially recycled, the amount of air and / or oxygen removed outside, and replacing the thermodynamic fluid rejected to the outside, being adjusted so that is introduced into the reaction chamber the amount of oxygen just needed to generate the primary heat demanded by the thermodynamic cycle, and where the solid reactants can be in fragmented form, optionally coarsely and in the reaction chamber, where all the oxygen usable by the reactions is consumed, in an open cycle, where the usable oxygen is entirely consumed in the reactions generating the primary heat in a chamber. a circulating calocontactor reaction, which can easily transmit heat, by the implementation of phases 3, at least one other thermodynamic cycle, the entire primary heat being thus used in at least two thermodynamic cycles. The device and method of the present invention is thus a thermodynamic system with several heat sources producing mechanical energy (motor system), comprising at least one source or a mode of primary heat transfer at a high temperature to a thermodynamic fluid. and / or a calocontactor, which receives this primary heat, and at least one means by which a thermodynamic fluid can yield heat to the outside at a low temperature, lower than the high temperature. The primary heat-generating reactions may be of a varied nature, and generally come from manifestations of one or more of the four fundamental interactions of physics: electromagnetic interaction, weak interaction, fission interaction, or gravitational interaction. The electromagnetic interaction is involved in the chemical reactions between molecules and / or atoms, the strong and weak interactions occur in particular in the reactions between the sub-constituents of the atoms, in particular the nucleus and its sub-constituents. The phenomena at the origin of solar radiation occurring in a star such as the sun involve all four interactions. In the case of chemical reactions, these may especially be reactions with oxygen, in particular contained in the air: - such as the combustion of carbonaceous materials of general composition CHON, ie consisting of carbon, optionally accompanied by hydrogen, and / or oxygen, and / or nitrogen, optionally comprising fractions of other bodies (such as sulfur, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, etc.), or other reactions, comprising at least one reaction with oxygen, of substances or materials of a composition other than CHON, such as the reactions H2 + y2 02 -> H2O, or XII + 02 - + XOH, or 2X + H2O + Where X is an alkali metal (lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium), and wherein the XOH hydroxide may optionally be recovered and then converted back into the XH hydride or the alkali metal X, especially by electrolysis, which can be used again. Substances or substances whose reactions generate the primary heat, or which are the products or residues of reactions, or a mixture of these substances together and / or with a calocontactor inert with respect to the reactions, may in certain cases be used as calocontactors in the device and method. The device and method represents a system which itself consists of subsystems. It can have several configurations and characteristic conditions of implementation, in particular according to the nature and the mode of generation of the primary heat, the nature of the thermodynamic fluid and the calocontactors used, the thermodynamic cycles carried out and the parameters characterizing them (pressures and temperatures at the edges of elementary thermodynamic transformations ...).
Nous présentons maintenant les opérations élémentaires réalisées par le dispositif et procédé., et les types d'appareils associés. We now present the basic operations performed by the device and method., And the associated device types.
Ces opérations élémentaires comportent notamment les opérations suivantes, caractéristiques de la mise en oeuvre de phases 1, 2, 3 ou 4: - détente, respectivement compression, quasi isotherme du fluide thermodynamique, dans un ou un ensemble d'appareils, avec production, respectivement réception, de travail, - échange de chaleur par mise en mélange entre un fluide thermodynamique et un calocontacteur, sans génération ni réception de travail vis à vis. de l'extérieur, - réception de chaleur primaire par un ou plusieurs fluide thermodynamiques et/ou un ou plusieurs calocontacteurs, en mélange dans une chambre de: réaction. La détente, respectivement la compression, d'un fluide thermodynamique dans un appareil produisant, respectivement recevant, du travail, sans apport externe de chaleur, et dans des conditions quasi isothermes, est effectuée dans les conditions suivantes: - elle met en oeuvre le mélange avec un calocontacteur, dont les quantités, les conditions d'introduction, de mise en mélange et d'évacuation, sont adaptées pour limiter la baisse, respectivement l'augmentation, de température du fluide thermodynamique, et minimiser la fraction et le débit volumiques de calocontacteur; - cette étape de détente, respectivement compression, est constituée d'une ou plusieurs phases 1, respectivement 2, ou d'une succession de phases 1, respectivement 2, chacune pouvant être suivie optionnellement d'une phase 3, et où entre deux phases t, respectivement 2, une partie ou la totalité du calocontacteur peut être évacuée des appareils effectuant des phases 1, 2 ou 3, et/ou du nouveau calocontacteur à plus haute, respectivement basse, température, peut être introduit, et le calocontacteur évacué lors ou à l'issue des susdites phases peut notamment être collecté, re-mélangé et circulé vers un sous ensemble ou une zone du dispositif et procédé pour y recevoir, respectivement céder, de la chaleur; - optionnellement, dans cette étape de détente, respectivement compression, certaine:;, ou toutes les, phases 1, respectivement 2, peuvent être remplacées par des détentes, respectivement compressions, adiabatiques du fluide thermodynamique seul; - le dispositif et procédé de l'invention met en oeuvre une phase 1, respectivement 2, dans des appareils de détente, respectivement compression, rotatifs, volumétriques ou dynamiques, en notant que la mise en mélange avec un calocontacteur peut concerner l'ensemble des volumes, variables ou fixes, des appareils et composants où le fluide thermodynamique est soumis à une détente, respectivement compression, à réaliser dans conditions quasi isothermes. Des phases 1, respectivement 2, peuvent être réalisées dans des appareils de détente, respectivement compression, rotatifs à un seul axe de rotation, volumétriques, notamment à palettes, ou à piston rotatif, tels que à rotor quasi triangulaire à faces fixes et à chambre trochoïdale (par exemple le moteur Wankel était basé sur ce principe) ou à rotor à faces articulées et à chambre quasi ovale (le concept de quasi turbine s'appuie sur ce principe), ou dynamiques, notamment axiaux, radiaux, centrifuges, tangentiels ou hélico - axiaux, comportant les adaptations nécessaires permettant le bon fonctionnement de l'appareil et ses performances. Les principes de fonctionnement et la technologie de référence de ces appareils sont connus de l'état des techniques. Ils sont mis en oeuvre dans les conditions suivantes, spécifiques du dispositif et procédé de la présente invention: * ces appareils comportent des adaptations, et comportent, notamment au niveau de la partie centrale proche de l'axe de rotation, des dispositifs d'introduction du calocontacteur sous forme finement divisée, notamment atomisée, disposés sur les parties fixes et/ou mobiles de l'appareil, et/ou ils comportent des dispositifs permettant la recirculation interne du calocontacteur collecté en périphérie, recirculé vers la zone centrale et réintroduit sous forme finement divisée, notamment atomisée, * les appareils peuvent comporter optionnellement des orifices ou dispositifs collecteurs 25 du calocontacteur, disposés notamment en périphérie, sur les parties fixes, optionnellement mobiles, d'un appareil, * le calocontacteur est introduit, et/ou évacué, de façon progressive ou étagée, à mesure de la transformation. En effet, compte tenu de la différence importante de leurs masses volumiques et de la 30 force centrifuge qui tend à séparer le calocontacteur et le fluide thermodynamique, sans qu'il existe un processus inhérent à l'appareil assurant la recirculation du calocontacteur de la périphérie vers la partie centrale, ceci conduirait à dégrader ainsi fortement les échanges thermiques, alors qu'ils sont nécessaires à l'exécution d'une transformation quasi isotherme, et lies adaptations et dispositions selon l'invention permettent d'assurer 35 les conditions satisfaisantes du mélange et des échanges thermiques en permettant : - d'introduire le calocontacteur dans et/ou le projeter vers la zone centrale de l'appareil. - de collecter le calocontacteur centrifugé en périphérie pour l'évacuer et/ou pour le réintroduire dans et/ou le projeter vers la zone centrale. La figure 8 illustre en vue en coupe radiale le principe d'une turbomachine axiale de 40 détente comportant un seul axe de rotation (10) muni d'aubes, non représentées sur 1a figure. Des dispositifs (15) permettent l'introduction du calocontacteur chaud (1C) sous forme finement divisée. Au moins certaines des aubes fixes (11) solidaires du stator (16), à l'instar d'une turbine axiale monophasique de l'état des techniques, peuvent être creuses et munies d'un canal (14), afin de permettre que le calocontacteur chaud (W) 45 centrifugé vers la périphérie, puisse être collecté via les orifices ou dispositifs (12) (situés notamment en amont du plan des aubes fixes), s'écouler dans des canaux périphériques (13) internes au corps du stator et être recirculé via le canal (14) intérieur aux aubes fixes (Il ) et réinjecté dans la zone centrale notamment en aval (et donc où règne une pression plus faible, facilitant ainsi l'écoulement du calocontacteur), via des dispositifs (15). Le calocontacteur ainsi recirculé dans la zone centrale peut optionnellement être accompagné d'une fraction de gaz thermodynamique, prélevée notamment en amont, et pouvant contribuer à la division fine du calocontacteur. Des dispositifs d'évacuation (17) du calocontacteur centrifugé, et non recirculé dans les canaux (13) et (14), peuvent aussi être disposés dans le stator (16). Une seule aube fixe et un seul orifice collecteur périphérique associé (12) et un seul dispositif d'évacuation (17) sont représentés sur la figure 8, mais la turbomachine adaptée pour réaliser une détente d'un gaz thermodynamique en mélange avec un calocontacteur peut en comporter de nombreux, répartis radialement et longitudinalement, ainsi que des dispositifs d'introduction (15). Ainsi l'introduction du calocontacteur à la température To sous forme finement divisée se fait de façon progressive ou étagée à mesure de la détente, via des dispositifs (15) situés sur l'axe de rotation ou sur les aubes ou sur la paroi interne fixe du corps du stator (16) de l'appareil, et il est aussi possible d'évacuer de façon étagée une fraction du calocontacteur par des orifices ou dispositifs (17) situés en périphérie. Des dispositions similaires s'appliquent au cas d'une compression (mais les prélèvements pour recirculation du calocontacteur sont notamment en aval). La figure 9 illustre des principes similaires dans le cas d'un appareil de détente, ou cle compression volumétrique, à palettes, illustré ici sur une configuration à deux palettes (18) diamétralement opposées, mais l'appareil peut en comporter davantage. Le calocontacteur froid (1F) est introduit notamment sous forme finement divisée dans le volume variable où s'effectue la compression via les orifices ou dispositifs d'introduction (15) situés sur le rotor (19) portant les palettes (18) et/ou sur les palettes, et/ou sur la paroi externe fixe du corps du stator (16) de l'appareil, qui comporte optionnellement des orifices ou dispositifs (17) permettant de collecter partiellement ou totalement le calocontacteur centrifugé en périphérie. Le débit d'introduction du calocontacteur via chacun des dispositifs (15) peut notamment être modulé de façon à ce que d'une part le calocontacteur ne soit introduit que lors d,e la phase de compression ou de détente et d'autre part selon les principes d'introduction décrits plus haut (introduction de façon progressive ou étagée), et donc varier au cours de l'avancement de la transformation, et en fonction de la position du rotor par rapport au stator, notamment définie par l'angle qui caractérise l'avancement périodique de la rotation dans le mouvement: rotatif effectué par le stator. De même optionnellement le débit d'évacuation du calocontacteur peut être modulé pour réaliser une évacuation progressive ou étagée, pendant la phase de compression ou de détente. Le calocontacteur introduit par les orifices ou dispositifs (15) peut optionnellement être déjà mélangé et introduit simultanément avec une certaine quantité de fluide thermodynamique pouvant contribuer à la division fine du calocontacteur. Optionnellement, des flux de fluide thermodynamique et/ou de calocontacteur peuvent circuler, via des orifices ou dispositifs collecteurs et chemins de circulation aménagés à cette fin dans les pièces fixes ou mobiles, d'un volume à une pression donnée à une zone à une autre pression, afin de contribuer à renforcer les conditions de mélange, et/ou division et/ou turbulence. La vitesse du calocontacteur introduit par les dispositifs d'introduction (15) situés sur la paroi interne du stator (16) doit être suffisante pour qu'il soit projeté vers le centre et entre en contact, mélange, échange et équilibre thermique avec une partie importante du gaz thermodynamique lors de sa compression. Sur la figure 9, le fluide thermodynamique (2) est aspiré en (20) et évacué en (21), accompagné généralement d'une partie, ou de la totalité, du calocontacteur introduit. These elementary operations comprise in particular the following operations, characteristic of the implementation of phases 1, 2, 3 or 4: - expansion, respectively compression, quasi isothermal of the thermodynamic fluid, in one or a set of apparatus, with production, respectively receiving, working, - heat exchange by mixing between a thermodynamic fluid and a calocontactor, without generating or receiving work vis-à-vis. from the outside, - primary heat receiving by one or more thermodynamic fluid and / or one or more calocontactors, mixed in a reaction chamber. The expansion, respectively the compression, of a thermodynamic fluid in an apparatus producing, respectively receiving, work, without external heat supply, and under quasi-isothermal conditions, is performed under the following conditions: it implements the mixture with a calocontactor, whose quantities, the conditions for introduction, mixing and evacuation, are adapted to limit the decrease, respectively the increase, in temperature of the thermodynamic fluid, and to minimize the fraction and the volume flow rate of calocontacteur; this step of expansion, respectively compression, consists of one or more phases 1, respectively 2, or of a succession of phases 1, respectively 2, each of which may optionally be followed by a phase 3, and where between two phases t, respectively 2, a part or all of the calocontactor may be discharged from the apparatus performing phases 1, 2 or 3, and / or the new calocontactor to higher, respectively low, temperature, can be introduced, and the calocontactor evacuated during or at the end of the aforesaid phases may in particular be collected, re-mixed and circulated to a subassembly or an area of the device and method for receiving therein or giving up heat, respectively; - Optionally, in this relaxation step, respectively compression, certain: ;, or all, phases 1, respectively 2, may be replaced by detents, compressions respectively adiabatic thermodynamic fluid alone; - The device and method of the invention implements a phase 1, respectively 2, in expansion devices, respectively compression, rotary, volumetric or dynamic, noting that the mixing with a calocontactor may concern all of variable or fixed volumes of the apparatus and components in which the thermodynamic fluid is subjected to expansion, respectively compression, to be carried out under quasi-isothermal conditions. Phases 1 and 2 respectively can be realized in expansion devices, respectively compression, rotary single-axis rotary, volumetric, especially rotary vane, or rotary piston, such as quasi-triangular rotor with fixed faces and chamber trochoidal (for example the Wankel engine was based on this principle) or rotor with articulated faces and quasi-oval chamber (the concept of quasi-turbine is based on this principle), or dynamic, notably axial, radial, centrifugal, tangential or helical - axial, with the necessary adaptations allowing the good functioning of the apparatus and its performances. The operating principles and reference technology of these devices are known from the state of the art. They are implemented under the following conditions, specific to the device and method of the present invention: * these devices comprise adaptations, and include, in particular at the central part near the axis of rotation, introducing devices of the calocontactor in finely divided form, in particular atomized form, arranged on the fixed and / or mobile parts of the apparatus, and / or they comprise devices allowing the internal recirculation of the collocator collected at the periphery, recirculated towards the central zone and reintroduced in the form finely divided, especially atomized, the apparatus may optionally comprise orifices or collector devices 25 of the calocontactor, arranged in particular peripherally, on the fixed parts, optionally movable, of an apparatus, the calocontactor is introduced, and / or evacuated, in a gradual or phased manner, as the transformation takes place. Indeed, given the significant difference in their densities and the centrifugal force which tends to separate the calocontactor and the thermodynamic fluid, without there is a process inherent in the device ensuring the recirculation of the calocontactor of the periphery towards the central part, this would lead to greatly degrade the heat exchange, while they are necessary for carrying out an almost isothermal transformation, and the adaptations and arrangements according to the invention make it possible to ensure the satisfactory conditions of the mixing and heat exchange by allowing: - to introduce the calocontactor into and / or project it towards the central zone of the apparatus. collecting the centrally centrifuged calocontactor to evacuate it and / or to reintroduce it into and / or project it towards the central zone. FIG. 8 illustrates, in radial sectional view, the principle of an axial expansion turbine engine having a single axis of rotation (10) provided with vanes, not shown in FIG. Devices (15) allow the introduction of the hot calocontactor (1C) in finely divided form. At least some of the fixed vanes (11) integral with the stator (16), like a state-of-the-art monophasic axial turbine, may be hollow and provided with a channel (14), in order to allow the hot circulating calocontactor (W) 45 centrifuged towards the periphery, can be collected via the orifices or devices (12) (located in particular upstream of the plane of the blades), flow in peripheral channels (13) internal to the stator body and being recirculated via the channel (14) inside the fixed vanes (II) and reinjected into the central zone especially downstream (and therefore where there is a lower pressure, thus facilitating the flow of the calocontactor), via devices (15) . The calocontactor and recirculated in the central zone may optionally be accompanied by a fraction of thermodynamic gas, taken in particular upstream, and may contribute to the fine division of the calocontactor. Discharge devices (17) of the centrifuged calocontactor, and not recirculated in the channels (13) and (14), can also be arranged in the stator (16). A single fixed blade and a single associated peripheral collecting orifice (12) and a single evacuation device (17) are shown in FIG. 8, but the turbomachine adapted to perform a relaxation of a thermodynamic gas mixed with a calocontactor can have many, distributed radially and longitudinally, and introduction devices (15). Thus the introduction of the calocontactor at the temperature To in finely divided form is done in a progressive manner or staged with the relaxation, via devices (15) located on the axis of rotation or on the vanes or on the fixed inner wall of the stator body (16) of the apparatus, and it is also possible to stably evacuate a fraction of the calocontactor through peripheral orifices or devices (17). Similar provisions apply to the case of a compression (but the samples for recirculation of the calocontactor are in particular downstream). FIG. 9 illustrates similar principles in the case of a vane, or volumetric compression apparatus, shown here in a configuration with two diametrically opposite vanes (18), but the apparatus may comprise more than one. The cold calocontactor (1F) is introduced in particular in finely divided form into the variable volume where the compression takes place via the orifices or introducer devices (15) located on the rotor (19) carrying the pallets (18) and / or on the pallets, and / or on the fixed outer wall of the stator body (16) of the apparatus, which optionally comprises orifices or devices (17) for partially or completely collecting the centrally centrifuged calocontactor. The rate of introduction of the calocontactor via each of the devices (15) may in particular be modulated so that, on the one hand, the calocontactor is introduced only during the compression or expansion phase and on the other hand the principles of introduction described above (introduction gradually or staged), and therefore vary during the progress of the transformation, and depending on the position of the rotor relative to the stator, in particular defined by the angle that characterizes the periodic advancement of rotation in the rotary motion effected by the stator. Similarly optionally the evacuation flow of the calocontactor can be modulated to perform a gradual evacuation or staged, during the compression phase or relaxation. The calocontactor introduced through the orifices or devices (15) may optionally be already mixed and introduced simultaneously with a certain amount of thermodynamic fluid that can contribute to the fine division of the calocontactor. Optionally, flows of thermodynamic fluid and / or calocontactor can flow through orifices or collecting devices and circulation paths arranged for this purpose in the fixed or moving parts, a volume at a given pressure to a zone to another pressure, in order to contribute to strengthening the mixing conditions, and / or division and / or turbulence. The velocity of the calocontactor introduced by the introduction devices (15) located on the inner wall of the stator (16) must be sufficient so that it is projected towards the center and comes into contact, mixing, exchange and thermal equilibrium with a part important thermodynamic gas during its compression. In FIG. 9, the thermodynamic fluid (2) is sucked in (20) and discharged at (21), generally accompanied by a part, or all, of the introduced calocontactor.
Le calocontacteur peut être utilisé pour effectuer, ou contribuer à, la lubrification des pièces mobiles animées d'un mouvement relatif, notamment aux contacts des extrémités des palettes û paroi interne du stator (22), paroi externe du rotor û paroi interne du stator (23), paroi externe des palettes û rotor (24), paliers supportant l'axe de rotation du rotor. The calocontactor may be used to effect, or contribute to, the lubrication of moving parts with relative movement, in particular to the contacts of the ends of the vanes-inner wall of the stator (22), outer wall of the rotor, and the inner wall of the stator ( 23), outer wall of the rotor pallets (24), bearings supporting the axis of rotation of the rotor.
Des injections de calocontacteur dans ces zones peuvent être effectuées à cette fin. Le calocontacteur injecté au niveau des zones de contact entre les pièces mobiles peut aussi contribuer à l'étanchéité entre volumes de détente, respectivement compression, à des pressions différentes. Ces mêmes principes s'appliquent notamment au cas d'un appareil de détente, ou de 10 compression, à piston rotatif notamment de forme triangulaire et à chambre trochoïdale, ou à rotor à faces articulées et à stator quasi ovale. Des phases 1, respectivement 2, peuvent être réalisées dans des appareils de détente, respectivement compression, rotatifs à plusieurs axes de rotation, notamment à une ou plusieurs paires d'axes tournant en sens inverse, volumétriques, notamment à vi s 15 ou à lobes (tels que compresseurs ou détendeurs roots), ou dynamiques, notamment axiaux, ou d'autres appareils volumétriques à plusieurs axes de rotation. Les principes de fonctionnement et la technologie de référence de ces appareils sont connus de l'état des techniques, et ils sont mis en oeuvre dans les conditions caractéristiques du dispositif et procédé de la présente invention. La configuration de ces appareils peut être 20 de nature à limiter la séparation entre calocontacteur et fluide thermodynamique, et même à favoriser le mélange et la dispersion du calocontacteur dans le fluide thermodynamique, compte tenu du fait que le calocontacteur tendant à être centrifugé en périphérie est généralement continûment ramené dans la partie centrale, et remis en mélange avec le fluide thermodynamique. 25 Ils peuvent de même être adaptés afin de permettre l'introduction et/ou l'évacuation du calocontacteur, notamment dans les conditions suivantes: - les appareils peuvent comporter des dispositifs d'introduction du calocontacteur sous forme finement divisée disposés sur les parties fixes et/ou mobiles de l'appareil, ils comportent aussi optionnellement des orifices ou dispositifs collecteurs du 30 calocontacteur, disposés notamment en périphérie sur les parties fixes optionnellement mobiles, - le calocontacteur est introduit et/ou évacué, de façon progressive ou étagée, ou en une seule fois. La figure 10 illustre le cas d'un appareil de compression, ou détente, à lobes, aussi 35 appelé à lobes droits, à deux axes comportant chacun deux lobes (25), mais pouvant en comporter davantage. L'introduction et/ou l'évacuation du calocontacteur sont effectuée s selon les mêmes principes que décrits plus haut pour un appareil à palettes, et/ou, en mélange avec le fluide thermodynamique, par la tubulure d'entrée (20), respectivement sortie (21), et la détente ou la compression peut s'effectuer dans un ensemble d'appareils 40 mis en série, avec optionnellement séparation et évacuation de tout ou partie du calocontacteur en sortie d'un appareil, puis introduction à nouveau de calocontacteur avant l'entrée dans l'appareil suivant. Ces mêmes principes s'appliquent aussi à un appareil de détente, respectivement de compression, à vis, aussi appelé à lobes hélicoïdaux, notamment constitué de deux vis 45 engrenant l'une dans l'autre et tournant en sens contraire. Le passage du fluide thermodynamique, en mélange avec le calocontacteur, s'effectue parallèlement auK axes des deux vis, et le fluide thermodynamique est détendu, respectivement comprimé, en traversant des capacités de plus en plus grandes, respectivement petites, jusqu'à la tubulure de refoulement (les chambres de détente, respectivement compression, sort formées par les parois du corps de l'appareil et les filets des deux vis). Le calocontacteur finement divisé peut être introduit par la tubulure d'entrée, et/ou de façon progressive via des orifices ou dispositifs d'introduction situés sur la paroi du corps de l'appareil et/ou sur les axes ou surfaces des vis. Des orifices ou dispositifs d'évacuation situés sur le corps de l'appareil peuvent permettre de collecter le calocontacteur centrifugé en périphérie. Ces orifices ou dispositifs d'introduction ou d'évacuation peuvent être répartis radialement et longitudinalement en plusieurs emplacements. Les appareils à deux axes peuvent présenter des caractéristiques attractives pour la mise en oeuvre de phases 1 et/ou 2. Optionnellement, ils peuvent être aménagés et segmentes pour effectuer la détente, respectivement compression, de manière étagée, avec des étapes intermédiaires de phases 3 et/ou d'introduction et/ou d'évacuation ce calocontacteur, au sein d'un même composant intégré. Les mêmes principes peuvent être transposés à un appareil dynamique de compression ou détente comportant deux axes de rotation tournant en sens contraire. Calocontactor injections into these areas may be made for this purpose. The calocontactor injected at the contact areas between the moving parts can also contribute to the sealing between expansion volumes, respectively compression, at different pressures. These same principles apply in particular to the case of an expansion device, or compression, rotary piston including triangular shape and trochoidal chamber, or rotor with hinged faces and quasi-oval stator. Phases 1 and 2 respectively can be realized in expansion devices, respectively compression, rotary with several axes of rotation, in particular one or more pairs of axes rotating in opposite directions, volumetric, especially vi s or lobes 15 (such as compressors or root regulators), or dynamic, especially axial, or other volumetric devices with multiple axes of rotation. The principles of operation and reference technology of these devices are known from the state of the art, and they are implemented under the characteristic conditions of the device and method of the present invention. The configuration of these devices may be such as to limit the separation between the calocontactor and the thermodynamic fluid, and even to promote the mixing and dispersion of the calocontactor in the thermodynamic fluid, given that the calocontactor tending to be centrifuged at the periphery is generally continuously brought back into the central portion, and mixed again with the thermodynamic fluid. They can likewise be adapted to allow the introduction and / or the evacuation of the calocontactor, in particular under the following conditions: the apparatuses may comprise devices for introducing the calocontactor in finely divided form placed on the fixed parts and or mobile of the apparatus, they also optionally include orifices or collector devices of the calocontactor, arranged in particular peripherally on the optionally movable fixed parts, - the calocontactor is introduced and / or evacuated, gradually or staged, or only once. FIG. 10 illustrates the case of a lobed compression device, also called a right lobe, with two axes each comprising two lobes (25), but which may comprise more of them. The introduction and / or the evacuation of the calocontactor are carried out according to the same principles as described above for a vane apparatus, and / or, mixed with the thermodynamic fluid, by the inlet manifold (20), respectively output (21), and the expansion or compression can be performed in a set of devices 40 in series, optionally with separation and evacuation of all or part of the calocontactor at the output of a device, then introduction of new calocontactor before entering the next device. These same principles also apply to an expansion device, respectively compression, screw, also called helical lobes, including two screws 45 meshing with one in the other and rotating in opposite directions. The passage of the thermodynamic fluid, mixed with the calocontactor, is effected parallel to the axes of the two screws, and the thermodynamic fluid is expanded, respectively compressed, through larger and smaller capacities, respectively, to the tubing discharge (the relaxation chambers, respectively compression, fate formed by the walls of the body of the device and the threads of the two screws). The finely divided calocontactor may be introduced through the inlet manifold, and / or progressively via orifices or introducing devices located on the wall of the body of the apparatus and / or on the axes or surfaces of the screws. Orifices or evacuation devices on the body of the apparatus can collect the centrally centrifuged calocontactor. These orifices or introduction or evacuation devices may be distributed radially and longitudinally in several locations. The two-axis devices may have attractive characteristics for the implementation of phases 1 and / or 2. Optionally, they can be arranged and segmented to perform the relaxation, respectively compression, stepped, with intermediate stages of phases 3 and / or introduction and / or evacuation of this calocontactor, within the same integrated component. The same principles can be transposed to a dynamic compression or expansion device having two axes of rotation rotating in opposite directions.
L'opération de détente, respectivement compression, quasi isotherme d'un fluid.e thermodynamique en contact direct et mélange avec un calocontacteur peut être réalisée en plusieurs étapes, en mettant en série plusieurs appareils, optionnellement de technologie et/ou caractéristiques différentes, afin qu'ils soient adaptés aux conditions régnant à l'étape concernée de la transformation thermodynamique, dans les conditions décrites ci-dessus. Optionnellement, on intercale entre les appareils de détente, respectivement compression, - un ou plusieurs appareils mélangeur û échangeurs, dans lesquels est introduit * d'une part le fluide thermodynamique sortant de l'appareil de détente, respectivement compression, * et d'autre part une partie ou la totalité du calocontacteur ayant accompagné le fluide thermodynamique lors de la détente, respectivement compression (cette opération ayant alors pour effet de rétablir la mise à l'équilibre thermique fluide thermodynamique û calocontacteur, si un écart de température entre eux s'était créé lors de la détente, respectivement compression), * et/ou du calocontacteur à température haute, respectivement basse, de la transformation quasi isotherme (cette opération ayant alors pour effet de rapprocher la température du fluide thermodynamique de la température haute, respectivement basse, de la transformation quasi isotherme), - un ou plusieurs appareils de séparation entre le fluide thermodynamique et le calocontacteur. Ces appareils peuvent être rassemblés dans un composant intégré. Il est optionnellement possible de favoriser ou renforcer la division du calocontacteur mis en mélange avec le fluide thermodynamique et leurs échanges thermiques, notamment en: * propageant des ultrasons ou des ondes de pression dans les domaines volumiques des appareils où calocontacteur et fluide thermodynamique sont en mélange, et/ou en imprimant des vibrations ou chocs mécaniques aux composants fixes ou mobiles qui les jouxtent ou y sont contenus, * et/ou en injectant des fractions de débit de gaz thermodynamique et/ou de 45 calocontacteur, dans le mélange calocontacteur -- gaz thermodynamique, * et/ou en provoquant une modulation ou une pulsation des débits de gaz thermodynamique et/ou de calocontacteur et/ou en créant des ondes de pression. Les appareils alternatifs, notamment à piston ou à membrane, sont peu adaptés à être mis en oeuvre pour la détente, respectivement compression, d'un mélange fluide thermodynamique û calocontacteur, et ne sont pas retenus pour cette fonction dans le dispositif et procédé de la présente invention, mais par contre ils font partie des appareils utilisables pour effectuer une détente ou compression quasi adiabatique dans le dispositif et procédé de l'invention. The operation of relaxing, respectively compression, quasi isothermal of a thermodynamic fluid in direct contact and mixing with a calocontactor can be carried out in several steps, putting in series several devices, optionally of different technology and / or characteristics, in order to that they are adapted to the conditions prevailing at the relevant step of the thermodynamic transformation, under the conditions described above. Optionally, one intermesh between the expansion devices, respectively compression, - one or more mixing devices - exchangers, in which is introduced * on the one hand the thermodynamic fluid leaving the expansion device, respectively compression, * and other part or all of the calocontactor that accompanied the thermodynamic fluid during expansion or compression respectively (this operation then having the effect of restoring the thermodynamic fluid thermodynamic equilibration-calocontactor, if a temperature difference between them s' was created during the relaxation, respectively compression), * and / or calocontactor at high temperature, respectively low, the quasi-isothermal transformation (this operation then having the effect of bringing the temperature of the thermodynamic fluid of the high temperature, respectively low , almost isothermal transformation), - one or more separating apparatus between the thermodynamic fluid and the calocontactor. These devices can be assembled in an integrated component. It is optionally possible to promote or reinforce the division of the calocontactor mixed with the thermodynamic fluid and their heat exchange, in particular by: * propagating ultrasound or pressure waves in the volume ranges of the apparatus where calocontactor and thermodynamic fluid are mixed and / or by imparting vibrations or mechanical shocks to the fixed or moving components which abut or are contained therein, * and / or by injecting fractions of thermodynamic gas flow and / or calocontactor into the calocontactor mixture - thermodynamic gas, * and / or causing a modulation or pulsation of thermodynamic gas flow rates and / or calocontactor and / or creating pressure waves. Alternative devices, in particular piston or membrane, are poorly suited to be implemented for the relaxation, respectively compression, of a thermodynamic fluid mixture - calocontactor, and are not retained for this function in the device and method of the the present invention, but by cons they are part of the apparatus used to perform a relaxation or almost adiabatic compression in the device and method of the invention.
L'échange de chaleur entre le fluide thermodynamique et un calocontacteur, par contact entre eux, sans échange de travail avec l'extérieur comporte une ou plusieurs phases 3. Une phase 3 peut être effectuée notamment dans un appareil dit "mélangeur û échangeur", qui comporte au moins une entrée de fluide thermodynamique, au moins une entrée de calocontacteur, et une ou plusieurs sorties : mélange fluide thermodynamique - calocontacteur, calocontacteur seul, ou partiellement accompagné de fluide thermodynamique, fluide thermodynamique seul ou partiellement accompagné de calocontacteur. L'ne phase 3 peut notamment être réalisée dans des appareils utilisant la différence de masse volumique entre le fluide thermodynamique et le calocontacteur, et la gravité et/ou la force centrifuge, ces appareils pouvant comporter des pièces fixes, présentant notamment une géométrie divisée et/ou une surface développée importante, ou mobiles, notamment en rotation, afin de créer les conditions favorisant des échanges thermiques efficaces, tout en minimisant l'énergie consommée pour réaliser le mélange et l'échange thermique, et créer une surface d'échange et une turbulence élevées. L a transformation peut s'effectuer notamment à pression constante. The exchange of heat between the thermodynamic fluid and a calocontactor, by contact between them, without exchange of work with the outside comprises one or more phases 3. A phase 3 can be carried out in particular in a device called "mixer-exchanger", which comprises at least one thermodynamic fluid inlet, at least one calocontactor inlet, and one or more outlets: thermodynamic fluid mixture - calocontactor, calocontactor alone, or partially accompanied by thermodynamic fluid, thermodynamic fluid alone or partially accompanied by calocontactor. Phase 3 can in particular be carried out in apparatus using the difference in density between the thermodynamic fluid and the calocontactor, and gravity and / or centrifugal force, these devices may comprise fixed parts, in particular having a divided geometry and / or a large developed surface, or mobile, in particular in rotation, in order to create the conditions favoring efficient heat exchange, while minimizing the energy consumed to achieve mixing and heat exchange, and to create an exchange surface and high turbulence. The transformation can be carried out in particular at constant pressure.
Les appareils peuvent être de type chambre ou colonne à aspersion de liquide ou introduction de gaz, avec ou sans garnissage, à plateaux perforés ou non, à baffles, avec ou sans agitateurs,.. ou de type contacteur pipeline, mélangeur centrifuge muni d'agitateurs, mélangeur centrifuge, tel que de type cyclone, à un ou plusieurs vortex..., connus de l'état des techniques. The apparatus may be of the liquid spray chamber or column type or the introduction of gas, with or without lining, with or without perforated trays, with baffles, with or without stirrers, or of the pipeline contactor type, centrifugal mixer provided with agitators, centrifugal mixer, such as cyclone type, with one or more vortices ..., known from the state of the art.
Ces configurations peuvent généralement permettre d'effectuer au sein même du mélangeur û échangeur à la fois le mélange et l'échange thermique fluide thermodynamique û calocontacteur et, partiellement ou totalement, la séparation entre ces deux fluides avant leur sortie. Lorsque la séparation n'est pas complète, les fluides encore mélangés peuvent être introduits dans un ou plusieurs appareils ou dispositifs de séparation, utilisant notamment la force centrifuge et/ou la gravité, connus de l'état des techniques, d'où sortent les deux fluides séparés. Ces configurations ne sont pas exhaustives, et s'appuient sur les techniques du génie des procédés industriels, desquelles d'autres configurations de mélangeur -échangeur peuvent être issues. These configurations can generally make it possible to perform within the mixer-exchanger both the mixture and thermodynamic fluid thermal exchange-calocontactor and, partially or totally, the separation between these two fluids before their release. When the separation is not complete, the still mixed fluids can be introduced into one or more separation devices or devices, using in particular centrifugal force and / or gravity, known from the state of the art, from which the two separate fluids. These configurations are not exhaustive, and are based on engineering techniques of industrial processes, from which other mixer-exchanger configurations can be derived.
En mettant en série un mélangeur û échangeur et un séparateur, on réalise ainsi un mélangeur û échangeur û séparateur dans lequel entrent respectivement le fluide thermodynamique et le calocontacteur. Plusieurs mélangeur .- échangeur - séparateurs peuvent être mise en série pour assurer une fonction d'échange de chaleur à contre courant fluide thermodynamique - calocontacteur, l'ensemble étant désigné "mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant ", permettant d'obtenir une température de sortie finale du fluide thermodynamique très proche de la température d'entrée du calocontacteur, et qui peut optionnellement constituer un composant intégré. Le principe d'un tel mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant est illustré par exemple se r la figure 11, qui présente une vue en coupe radiale d'un appareil centrifuge à un vortex, où fluide thermodynamique (2) est introduit en périphérie par deux tubulures d'entrée (20), mais il peut y en avoir davantage ou une seule, et évacué via la partie centrale, et le calocontacteur (1) est introduit en partie centrale sous forme divisée par des dispositifs d'introduction (15) et collecté en périphérie par des dispositifs collecteurs (17) et/ou par le bas de l'appareil, par lesquels sort le calocontacteur. By putting a mixer-exchanger and a separator in series, a separator-exchanger mixer is thus produced in which the thermodynamic fluid and the calocontactor respectively enter. Several mixer-exchanger-separators can be put in series to provide a heat exchange function against thermodynamic fluid flow - calocontactor, the assembly being designated "mixer - exchanger - divider against current", to obtain a final output temperature of the thermodynamic fluid very close to the inlet temperature of the calocontactor, and which may optionally be an integrated component. The principle of such a countercurrent exchanger / exchanger mixer is illustrated, for example, in FIG. 11, which shows a radial sectional view of a vortex centrifugal apparatus, where thermodynamic fluid (2) is introduced at the periphery. by two inlet pipes (20), but there may be more or only one, and discharged via the central part, and the calocontactor (1) is introduced in central part in divided form by introduction devices (15). ) and collected at the periphery by collecting devices (17) and / or from the bottom of the device, through which the calocontactor leaves.
Optionnellement, plusieurs opérations de ce type peuvent être mises en série au sein d'un mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant, notamment sous la forme d'un composant intégré. La réception de chaleur primaire, par un ou plusieurs fluides thermodynamiques et/ou un ou plusieurs calocontacteurs comprend entre autres l'opération élémentaire de réception directe de la chaleur primaire par le mélange calocontacteur û fluide thermodynamique au sein même de la zone de génération de la chaleur primaire, en réalisant une phase 4, dans une chambre de réaction où sont présents et en mélange le fluide thermodynamique, un calocontacteur, des réactifs, et optionnellement d'autres matières. Notons que dans une chambre de réaction au sein du dispositif et procédé de l'invention peut aussi être générée de la chaleur primaire sans qu'il s'agisse d'une phase 4, notamment: - lorsqu'il n'y a pas de calocontacteur en mélange avec le fluide thermodynamique da;is la chambre de réaction, par exemple s'il s'agit d'une combustion avec l'oxygène de matières CHON solides grossièrement fragmentées, et où l'oxygène disponible pour les réactions est entièrement consommé, - lorsqu'il n'y a pas de fluide thermodynamique dans la chambre de réaction, et où cela peut par exemple être un calocontacteur, circulant dan la chambre de réaction, qui reçoit la chaleur primaire dégagée par les réactions, et la transfère ensuite à un fluide thermodynamique, notamment par une ou plusieurs phases 3. La progressivité des transformations thermodynamiques associées aux trois principales opérations élémentaires décrites plus haut, grâce à l'utilisation (le calocontacteurs et de machines de détente ou compression rotatives, est de nature à favoriser leur réversibilité. Les autres opérations élémentaires sont notamment les suivantes, et peuvent être mises en oeuvre dans des appareils, dispositifs et/ou par des procédés relevant de l'état des techniques : - réception de chaleur primaire, par un ou plusieurs fluides thermodynamiques et/ou un plusieurs calocontacteurs, par d'autres procédés et/ou dans d'autres types d'appareils que la mise en oeuvre de phases 4 dans une chambre de réaction; - détente, respectivement compression, du fluide thermodynamique seul, dans un appareil produisant, respectivement recevant, du travail, et représentant ainsi une transformation quasi adiabatique s'il n'y a pas d'apport externe de chaleur, dans des appareils de type volumétrique alternatifs, notamment à piston ou à membrane, rotatifs, notamment à palettes, à vis, à lobes, à spirales, à pistons rotatifs, ou dynamiques, notamment turbomachines axiales, radiales, hélico - axiales, tangentielles ou centrifuges, de l'état des techniques; une détente, respectivement compression, du fluide thermodynamique seul peut s'effectuer dans plusieurs appareils de technologie et/ou (le caractéristiques différentes, et notamment mis en série, afin qu'ils soient adaptés aux conditions, notamment de température et/ou pression et/ou débit volumique, régnant au stade de la détente, respectivement compression, où ils interviennent; -échange de chaleur par un calocontacteur et/ou un fluide thermodynamique et/ou un caloporteur (fluide transportant la chaleur, et qui n'est pas mis en mélange et/ou contant direct avec un fluide thermodynamique), via un flux de chaleur transmis à travers une ou plusieurs parois; - préparation (telle que fragmentation, séchage, réchauffage, thermolyse...) et acheminement de réactifs chimiques et leur introduction, en quantités réglables, dans une chambre ou une zone de réaction où est générée de la chaleur primaire; - division fine et dispersion du calocontacteur dans un fluide thermodynamique; - échange de chaleur entre plusieurs calocontacteurs différents choisis comme étant des liquides non miscibles mutuellement, ou certains liquides et d'autres solides pulvérulents, qui peut être réalisé par mise en contact direct et mélange, les appareils associés pouvant intégrer une fonction de séparation in situ entre calocontacteurs, et être notamment mis en oeuvre selon les mêmes principes et fonctionnalités que pour la mise en oeuvre de phases 3, avec des mélangeurs û échangeurs., et/ou des mélangeurs û échangeurs û séparateurs, et, par mise en série, constituer un mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant, optionnellement sous la forme d'un composant intégré; on peut, pour le choix des matériaux calocontacteurs, mettre à profit leur aptitude à être mélangés, sans interaction chimique mutuelle, et être ensuite efficacement séparés (c'est par exemple le cas où un calocontacteur est un métal liquide et l'autre un solide pulvérulent, tel que silice, carbone, carbure..., grâce à la fois au non mouillage du solide par le métal liquide, ainsi qu'à la différence de masse volumique); cette séparation peut notamment être effectuée ou achevée par l'introduction des matières solides, accompagnée de tout ou partie du liquide, dans un flux de fluide thermodynamique, afin d'éliminer les gouttelettes résiduelles de calocontacteur liquide éventuellement encore présentes avec les matières solides pulvérulentes; - mélange et mise à l'équilibre thermique de portions du même calocontacteur ou du 20 même fluide thermodynamique; - séparation entre les matières et/ou fluides mis en contact direct, qui concerne notamment la séparation calocontacteur û fluide thermodynamique, ou la séparation entre deux calocontacteurs, ou la séparation entre produits ou résidus de réactions - calocontacteurs û fluide thermodynamique, notamment dans des appareils utilisant la 25 différence de densité entre les différents composants à séparer en utilisant en particulier la gravité et/ou la force centrifuge, et/ou l'interaction avec des parois solides; - échange de chaleur entre fluides via des échangeurs à parois, simple ou multiples, notamment à contre courant, ou à co-courant, ou mixtes, où circule de part et d'autre un fluide liquide, gazeux ou diphasique liquide û gaz; 30 - transfert de fluides à l'état liquide, soit avec augmentation, respectivement réduction, significative de pression, qui peut être réalisé notamment par des appareils, tels que des pompes, de type volumétrique, soit sans augmentation, respectivement réduction, (le pression significative, dans des appareils notamment de type pompes volumétriques ou dynamiques; l'utilisation de pompes avec augmentation ou réduction significative (le 35 pression s'appliquant à des calocontacteurs peut être mise en oeuvre dans le dispositif et procédé de l'invention notamment: * parce que des échanges thermiques entre calocontacteur et fluide thermodynamique y ont lieu sans échangeurs à parois, et donc à même pression, en particulier lors d'une phase 3, et que lorsque le calocontacteur doit ensuite échanger de la chaleur avec le 40 même fluide thermodynamique, ou avec un autre, à une pression différente, il est nécessaire de modifier la pression du calocontacteur lors de son transfert entre ces zones d'échange thermique différentes, * pour pouvoir par conception faire fonctionner certaines zones du dispositif et procédé de l'invention à des pression choisies, par exemple: 45 ° pour réduire les pressions de fonctionnement et les contraintes mécaniques de composants où circule un calocontacteur, tels qu'une chambre de réaction ou un échangeur à parois, ° pour ajuster la pression absolue dans une zone où évolue un calocontacteur, afin de la maintenir au dessus de la pression d'ébullition du calocontacteur à la température maximale rencontrée dans cette zone; - transfert de solides sous forme fragmentée ou divisée; - transfert de fluides à l'état compressible, notamment par des appareils de type ventilateurs ou soufflantes; - canalisation de fluides, sans modifier leurs paramètres, notamment leur pression et leur température, via des tuyauteries ou canalisations; - actions sur le passage de fluides, notamment via des vannes, soupapes, clapets de non retour, et dispositifs associés, tels que dispositifs d'aiguillage de fluides, permettant de les prélever et/ou évacuer et/ou orienter vers plusieurs destinations, et dans des proportions réglables; - stockage de matière et/ou d'énergie, via notamment des réservoirs ou capacités; - régulation de pression; -protection contre les surpressions, via notamment des appareils ou composants tels que soupapes de sécurité, disques ou membranes de rupture; - traitement physico û chimique, notamment des fluides thermodynamiques et des calocontacteurs; - mesures et contrôle ù commande, via notamment des capteurs de mesure, des organes 20 de traitement des informations, des commandes d'actionneurs. Optionally, several operations of this type can be put in series in a mixer - exchanger - countercurrent separator, especially in the form of an integrated component. The reception of primary heat, by one or more thermodynamic fluids and / or one or more heat exchangers comprises among other things the elementary operation of direct reception of the primary heat by the calocontactor-thermodynamic fluid mixture within the zone of generation of the primary heat, by performing a phase 4, in a reaction chamber where there are present and in mixture the thermodynamic fluid, a calocontactor, reagents, and optionally other materials. Note that in a reaction chamber within the device and method of the invention may also be generated primary heat without it being a phase 4, including: - when there is no calocontactor in admixture with the thermodynamic fluid in the reaction chamber, for example if it is a combustion with oxygen of coarsely fragmented solid CHON materials, and where the oxygen available for the reactions is entirely consumed when there is no thermodynamic fluid in the reaction chamber, and where it can for example be a calocontactor, circulating in the reaction chamber, which receives the primary heat released by the reactions, and then transfers it to a thermodynamic fluid, in particular by one or more phases 3. The progressivity of the thermodynamic transformations associated with the three main elementary operations described above, thanks to the use (the calocontactors and rotary expansion or compression machines, is likely to favor their reversibility. The other elementary operations are in particular the following ones, and can be implemented in devices, devices and / or by processes coming under the state of the techniques: - reception of primary heat, by one or more thermodynamic fluids and / or a several calocontactors, by other methods and / or in other types of apparatus than the implementation of phases 4 in a reaction chamber; - Relaxation or compression, respectively, of the thermodynamic fluid alone, in a device producing, respectively receiving, work, and thus representing a quasi-adiabatic transformation if there is no external heat input, in volumetric type devices reciprocating, in particular piston or diaphragm, rotary, particularly rotary vane, screw, lobe, spiral, rotary piston, or dynamic, in particular axial, radial, helico - axial, tangential or centrifugal turbomachines, the state of the techniques; a relaxation, respectively compression, of the thermodynamic fluid alone can be carried out in a plurality of technological devices and / or (the different characteristics, and in particular put in series, so that they are adapted to the conditions, in particular temperature and / or pressure and / or volume flow, prevailing at the stage of relaxation, respectively compression, where they intervene; -exchange of heat by a calocontactor and / or a thermodynamic fluid and / or a coolant (fluid carrying the heat, and which is not put in a mixture and / or direct contant with a thermodynamic fluid), via a heat flux transmitted through one or more walls, - preparation (such as fragmentation, drying, reheating, thermolysis, etc.) and delivery of chemical reagents and their introduction in adjustable quantities, in a chamber or a reaction zone where primary heat is generated; - fine division and dispersion of the calocontactor in a thermo-fluid; dynamic - heat exchange between several different calocontactors chosen as being mutually immiscible liquids, or certain liquids and other powdery solids, which can be achieved by direct contact and mixing, the associated apparatuses can integrate a separation function in situ between calocontactors, and in particular be implemented according to the same principles and functionalities as for the implementation of phases 3, with mixers - exchangers., and / or mixers - exchangers - separators, and, by placing in series constituting a countercurrent separator / exchanger mixer, optionally in the form of an integrated component; for the choice of calocontactor materials, it is possible to take advantage of their ability to be mixed, without mutual chemical interaction, and then to be effectively separated (this is for example the case where one calocontactor is a liquid metal and the other a solid powder, such as silica, carbon, carbide ..., thanks to both the non-wetting of the solid by the liquid metal, and the difference in density); this separation can in particular be carried out or completed by the introduction of solids, accompanied by all or part of the liquid, in a flow of thermodynamic fluid, in order to eliminate residual droplets of liquid calocontact possibly still present with the pulverulent solids; mixing and thermally equilibrating portions of the same calocontactor or the same thermodynamic fluid; separation between the materials and / or fluids placed in direct contact, which concerns, in particular, the separation of the thermocouple or the thermocouple fluid, or the separation between two calocontactors, or the separation between products or reaction residues - thermocyclic fluid-type collocators, especially in apparatus utilizing the difference in density between the different components to be separated using in particular gravity and / or centrifugal force, and / or interaction with solid walls; - Exchanging heat between fluids via wall exchangers, single or multiple, in particular against the current, or co-current, or mixed, where circulates on either side a liquid fluid, gaseous or diphasic liquid gas; 30 - transfer of fluids in the liquid state, either with increase, respectively reduction, significant pressure, which can be achieved in particular by devices, such as pumps, volumetric type or without increase, respectively reduction, (the pressure In particular, in devices such as volumetric or dynamic pumps, the use of pumps with significant increase or reduction (the pressure applicable to calocontactors can be implemented in the device and method of the invention in particular: because heat exchange between calocontactor and thermodynamic fluid takes place without wall exchangers, and therefore at the same pressure, especially during a phase 3, and that when the calocontactor must then exchange heat with the same 40 thermodynamic fluid , or with another, at a different pressure, it is necessary to modify the pressure of the calocontactor during its tra between these different zones of heat exchange, * to be able by design to operate certain areas of the device and method of the invention at selected pressures, for example: 45 ° to reduce the operating pressures and mechanical stresses of components where circulates a calocontactor, such as a reaction chamber or a wall exchanger, to adjust the absolute pressure in an area where a calocontactor evolves, in order to keep it above the boiling pressure of the calocontactor at the maximum temperature encountered in this area; - solid transfer in fragmented or divided form; transfer of fluids in the compressible state, in particular by fans or blowers; - Channeling of fluids, without modifying their parameters, in particular their pressure and their temperature, via pipes or pipes; - actions on the passage of fluids, in particular via valves, valves, check valves, and associated devices, such as fluid switching devices, enabling them to be sampled and / or evacuated and / or directed to several destinations, and in adjustable proportions; storage of material and / or energy, in particular via tanks or capacities; - pressure regulation; -protection against overpressure, especially via devices or components such as safety valves, disks or rupture membranes; - physico-chemical treatment, including thermodynamic fluids and calocontactors; - Measurements and control to control, via in particular measuring sensors, 20 members of information processing, actuator controls.
Nous présentons maintenant ci-après l'agencement des opérations élémentaires, et des appareils associés, en sous-systèmes caractéristiques du dispositif et procédé, qui sont les suivants: 25 - Sous Système Source Chaude, désigné SSSC, dans lequel un ou plusieurs fluides thermodynamiques et/ou un ou plusieurs calocontacteurs chauds reçoivent, directement ou indirectement, la chaleur primaire, - Sous Système Source Froide, désigné SSSF, par lequel un fluide thermodynamique et/ou un ou plusieurs calocontacteurs froids cèdent de la chaleur à l'extérieur. 30 - Sous Système de Détente avec calocontacteur Chaud, désigné SSDC, dans lequel le fluide thermodynamique effectue une détente où il produit du travail, en étant en mélange avec un calocontacteur chaud, dans les conditions décrites plus haut, et le SSDC est constitué d'un ou plusieurs appareils de détente du fluide thermodynamique en mélange avec le calocontacteur chaud (optionnellement de détente quasi adiabatique 35 du fluide thermodynamique seul), notamment disposés en série, optionnellement avec des étapes de passage dans un ou plusieurs mélangeurs û échangeurs, optionnellement séparateurs, pouvant permettre de réchauffer davantage le fluide thermodynamique, et/ou de séparer le fluide thermodynamique et le calocontacteur, après une phase de détente. Le fluide thermodynamique et le calocontacteur sortent séparés à l'issue de la 40 détente réalisée dans le SSDC. - Sous Système de Détente du fluide thermodynamique Seul, désigné SSDS, dans lequel celui- ci produit du travail sans être en contact avec un calocontacteur, et peut réaliser notamment ainsi une détente quasi adiabatique, dans des appareils de l'état des techniques. 45 - Sous Système de Compression avec Calocontacteur froid, désigné SSCC, dans lequel le fluide thermodynamique effectue une compression où il reçoit du travail, en étant en mélange avec un calocontacteur froid, dans les conditions décrites plus haut, et le SSCC est constitué d'un ou plusieurs appareils de compression du fluide thermodynamique en mélange avec le calocontacteur froid (optionnellement de compression quasi adiabatique du fluide thermodynamique seul), notamment disposés en série, optionnellement avec des étapes de passage dans un ou plusieurs mélangeurs ù échangeurs, optionnellement séparateurs, pouvant permettre de refroidir davantage 1 e fluide thermodynamique, et/ou de séparer le fluide thermodynamique et 'e calocontacteur, après une phase de compression. Le fluide thermodynamique et 'e calocontacteur sortent séparés à l'issue de la compression réalisée dans le SSCC. - Sous Système de Compression du fluide thermodynamique Seul, désigné SSCS, dont la configuration peut être de deux types. Dans le type 1, le fluide thermodynamique est toujours à l'état compressible au cours du cycle et reçoit du travail sans être en contact avec un calocontacteur, et peut réaliser notamment ainsi une compression quasi adiabatique. Le type 2 correspond au cas où le fluide thermodynamique présente au moins deux états physiques différents au cours du cycle thermodynamique, liquide d'une part, gazeux ou supercritique d'autre part, et lorsque le: fluide thermodynamique est à l'état liquide dans le SSCS, celui-ci assure une fonction de mise en pression de ce liquide, réalisée par un ou plusieurs appareils de transfert avec accroissement de pression de liquide, tels que décrits plus haut. - Sous Système Echangeur Régénérateur du fluide thermodynamique, désigné SSER, qui réalise une fonction d'échange thermique à contre courant du fluide thermodynamique sur lui même. Le fluide thermodynamique, à un stade de son cycle, entre dans le SSER et en sort refroidi, en cédant de la chaleur au même fluide thermodynamique, à un autre stade de son cycle, qui entre dans le SSER et en sort réchauffé. Nous précisons ci-après les configurations des sous-systèmes SSSC, SSSF, et SSER. We now present hereinafter the arrangement of the elementary operations, and associated apparatuses, in subsystems characteristic of the device and method, which are the following: - Under Hot Source System, designated SSSC, in which one or more thermodynamic fluids and / or one or more hot calocontactors receive, directly or indirectly, the primary heat, - Under Cold Source System, designated SSSF, by which a thermodynamic fluid and / or one or more cold calocontactors yield heat to the outside. 30 - Under Hot Melt Pressure Relief System, designated SSDC, in which the thermodynamic fluid performs a relaxation where it produces work, being in mixture with a hot calocontactor, under the conditions described above, and the SSDC consists of one or more thermodynamic fluid expansion devices mixed with the hot calocontactor (optionally substantially adiabatic expansion of the thermodynamic fluid alone), in particular arranged in series, optionally with stages of passage in one or more mixers-exchangers, optionally separators, which can further heat the thermodynamic fluid, and / or separate the thermodynamic fluid and the calocontactor, after a relaxation phase. The thermodynamic fluid and the calocontactor leave separated at the end of the expansion performed in the SSDC. - Under Thermodynamic Fluid Relaxation System Only, designated SSDS, in which it produces work without being in contact with a calocontactor, and can achieve such a relaxation almost adiabatic, in state of the art devices. 45 - Under Compression System with Cold Calibrator, designated SSCC, in which the thermodynamic fluid performs a compression where it receives work, being mixed with a cold calocontactor, under the conditions described above, and the SSCC consists of one or more compressors of the thermodynamic fluid mixed with the cold calocontactor (optionally quasi-adiabatic compression of the thermodynamic fluid alone), in particular arranged in series, optionally with stages of passage in one or more mixers-exchangers, optionally separators, which can to further cool the thermodynamic fluid, and / or to separate the thermodynamic fluid and calocontactor, after a compression phase. The thermodynamic fluid and the calocontactor leave separate after the compression performed in the SSCC. - Under Thermodynamic Fluid Compression System Only, designated SSCS, whose configuration can be of two types. In type 1, the thermodynamic fluid is always in the compressible state during the cycle and receives work without being in contact with a calocontactor, and can thus achieve in particular a quasi-adiabatic compression. Type 2 corresponds to the case where the thermodynamic fluid has at least two different physical states during the thermodynamic cycle, liquid on the one hand, gaseous or supercritical on the other hand, and when the thermodynamic fluid is in the liquid state in the SSCS, it performs a function of pressurizing this liquid, performed by one or more transfer devices with increased liquid pressure, as described above. - Under Regenerator Exchanger System of the thermodynamic fluid, designated SSER, which performs a function of thermal exchange against the current of the thermodynamic fluid on itself. The thermodynamic fluid, at a stage of its cycle, enters the SSER and leaves it cooled, by yielding heat to the same thermodynamic fluid, to another stage of its cycle, which enters the SSER and comes out warmed up. We specify below the configurations of subsystems SSSC, SSSF, and SSER.
Le SSSC peut présenter différentes configurations, suivant les modes de réception ou génération de la chaleur primaire et les modes de transmission de la chaleur, et effectue notamment l'ensemble ou une partie des opérations suivantes: - un calocontacteur chaud et/ou un fluide thermodynamique reçoivent la chaleur primaire transmise sous la forme d'un flux de chaleur, notamment à travers une ou plusieurs parois, - un fluide thermodynamique peut recevoir la chaleur par contact direct et mélange avec un calocontacteur, dans un ou un ensemble d'appareils mélangeurs ù échangeurs ù séparateurs, réalisant notamment un échange de chaleur à contre courant, - deux calocontacteurs différents, non réactifs et non miscibles mutuellement, peuvent échanger de la chaleur par contact direct et mélange, dans un ensemble d'appareils mélangeurs ù échangeurs -séparateurs, pouvant optionnellement réaliser un échange de chaleur à contre courant, - un caloporteur intermédiaire peut recevoir ou céder de la chaleur à travers une ou des parois, - le fluide thermodynamique peut optionnellement traverser le SSSC sans modification significative de ses paramètres thermodynamiques, - un fluide thermodynamique et/ou un calocontacteur reçoivent la chaleur primaire au sein d'une chambre de réaction. Généralement, dans une chambre de réaction, les réactifs intervenant dans la génération de la chaleur primaire, ainsi que les produits résultant, optionnellement un ou plusieurs calocontacteurs et/ou un ou plusieurs fluides thermodynamiques, sont présents, dans a chambre de réaction où est généré la chaleur primaire. Un fluide thermodynamique est introduit dans la chambre de réaction d'où il ressort à une température supérieure cu égale à sa température d'entrée. Un calocontacteur est soit résident (majoritairement, et sinon recirculé tout de suite dans la chambre de réaction) soit est introduit dans la chambre de réaction d'où il ressort à une température supérieure ou égale à 5a température d'entrée. Les matières à l'origine de la génération de chaleur primaire sont transformées en leurs produits ou résidus de réaction soit totalement dans la chambre de réaction, soit partiellement et ils sont alors évacués de la chambre de réaction, pour généralement y être ensuite recirculés. Les produits gazeux de réaction ressortent de la chambre en mélange avec le fluide thermodynamique. Les produits de réactions solides et/ou liquides, et optionnellement les réactifs solides ou liquides non consommés, sont évacués de façon continue ou intermittente. Suivant les modes de mise en oeuvre : - des constituants du fluide thermodynamique peuvent intervenir dans les réactions génératrices de chaleur primaire (notamment l'oxygène de l'air, lorsque l'air est le fluide thermodynamique), - une ou plusieurs matières à l'origine de la génération de chaleur primaire et/ou un eu plusieurs produits résultant de ces réactions, peuvent jouer un rôle de calocontacteur. The SSSC may have different configurations, depending on the modes of reception or generation of the primary heat and the modes of heat transmission, and performs in particular all or part of the following operations: - a hot calocontactor and / or a thermodynamic fluid receive the primary heat transmitted in the form of a heat flow, especially through one or more walls, - a thermodynamic fluid can receive heat by direct contact and mixing with a heat sink, in one or a combination of mixing devices ù exchangers-separators, performing in particular a countercurrent heat exchange, - two different mutually nonreactive and immiscible calocontactors can exchange heat by direct contact and mixing, in a set of mixing devices - exchangers - separators, which can optionally perform a countercurrent heat exchange, - an intermediate heat transfer medium t receive or transfer heat through one or more walls, - the thermodynamic fluid can optionally pass through the SSSC without significant modification of its thermodynamic parameters, - a thermodynamic fluid and / or a calocontactor receive the primary heat within a chamber of reaction. Generally, in a reaction chamber, the reactants involved in the generation of the primary heat, as well as the resulting products, optionally one or more calocontactors and / or one or more thermodynamic fluids, are present in a reaction chamber where is generated primary heat. A thermodynamic fluid is introduced into the reaction chamber from which it emerges at a temperature above cu equal to its inlet temperature. A calocontactor is either resident (mainly, and otherwise recirculated immediately in the reaction chamber) or is introduced into the reaction chamber from which it emerges at a temperature greater than or equal to 5a inlet temperature. The materials at the origin of the primary heat generation are converted into their products or reaction residues either completely in the reaction chamber or partially and they are then removed from the reaction chamber, to generally be subsequently recirculated. The gaseous reaction products emerge from the chamber in admixture with the thermodynamic fluid. The solid and / or liquid reaction products, and optionally the solid or liquid reactants that are not consumed, are discharged continuously or intermittently. According to the modes of implementation: - constituents of the thermodynamic fluid can be involved in the primary heat generating reactions (in particular the oxygen of the air, when the air is the thermodynamic fluid), - one or more materials to the The origin of the primary heat generation and / or one or more products resulting from these reactions can play a calocontactor role.
L'agencement et les conditions d'introduction et d'évacuation des matières et d.e fonctionnement de la chambre de réaction peuvent être notamment organisés, par exemple dans le cas où une phase 4 y est mise en oeuvre, afin de réaliser des conditions de mélange, de division et dispersion des matières présentes, et un calocontacteur y joue le rôle caractéristique d'apport d'inertie thermique vis à vis du fluide thermodynamique. Une chambre de réaction peut ainsi être à écoulement rotatif, tel que de type cyclone, à un ou plusieurs vortex, où l'introduction du fluide thermodynamique se fait en périphérie du ou des vortex, et imprime un mouvement de rotation d'ensemble aux matières contenues dans la chambre, optionnellement ainsi qu'une composante verticale visant à compenser l'effet de la gravité sur les matières denses, et où l'évacuation du fluide thermodynamique se fait préférentiellement à partir de la zone centrale d'un vortex, optionnellement via un dispositif évitant ou minimisant in situ l'entraînement éventuel d'autres matières. Lorsqu'il y a plusieurs vortex, la chambre comporte préférentiellement un nombre pair de vortex, en contre rotation mutuelle de deux vortex adjacents. La chambre peut aussi comporter des pièces mobiles, favorisant le mélange et la présence homogène des matières dans la chambre. Optionnellement, un circuit de recirculation en boucle fermée d'une fraction du fluide thermodynamique, prélevée en sortie de la chambre de réaction et qui y est réintroduite en étant propulsée par un appareil de transfert de fluide gazeux, peut permettre de renforcer le mouvement et le mélange des matières dans la chambre de réaction. The arrangement and the conditions for introducing and evacuating the materials and for operating the reaction chamber can in particular be organized, for example in the case where a phase 4 is used therein, in order to achieve mixing conditions. , of division and dispersion of the present materials, and a calocontactor plays the characteristic role of providing thermal inertia with respect to the thermodynamic fluid. A reaction chamber can thus be of rotary flow, such as cyclone type, with one or more vortices, where the introduction of the thermodynamic fluid is at the periphery of the vortex or vortex, and prints an overall rotational movement to the materials. contained in the chamber, optionally and a vertical component to compensate for the effect of gravity on dense materials, and where the evacuation of the thermodynamic fluid is preferentially made from the central zone of a vortex, optionally via a device that avoids or minimizes in situ the possible entrainment of other materials. When there are several vortices, the chamber preferably comprises an even number of vortices, against mutual rotation of two adjacent vortices. The chamber may also include moving parts, promoting mixing and the homogeneous presence of materials in the chamber. Optionally, a closed-loop recirculation circuit of a fraction of the thermodynamic fluid, taken at the outlet of the reaction chamber and reintroduced into it by being propelled by a gaseous fluid transfer apparatus, can make it possible to reinforce the movement and the mixing of materials in the reaction chamber.
Optionnellement, la chambre de réaction peut comporter des échangeurs à parois, parcourus à l'intérieur par un fluide, notamment un calocontacteur ou un caloporteur ou un fluide thermodynamique, et recevant une partie de la chaleur primaire dégagée dans la chambre de réaction et se transmettant à travers les parois. Optionnellement des réactifs complémentaires à ceux intervenant dans la génération de chaleur primaire peuvent être introduits dans la chambre, et leurs produits ou résidus de réaction s évacués, afin notamment de réaliser in situ des fonctions de traitement physico-chimique. Les produits de réaction peuvent être solides, liquides ou gazeux. Un calocontacteur peut notamment jouer le rôle d'inertie thermique dans la chambre de réaction et/ou, lorsqu'il est circulant, celui de transfert de chaleur vis-à-vis d'un autre fluide thermodynamique, via optionnellement un échange de chaleur avec un autre calocontacteur. La chambre peut aussi être sans vortex, et mettre par exemple en oeuvre un écoulement à contre courant, ou à co-courant, ou à lit fluidisé. Optionally, the reaction chamber may comprise wall exchangers, internally traversed by a fluid, in particular a heat-exchange or heat transfer fluid or thermodynamic fluid, and receiving a portion of the primary heat released in the reaction chamber and being transmitted through the walls. Optionally additional reagents to those involved in the primary heat generation can be introduced into the chamber, and their products or reaction residues evacuated, in particular to achieve in situ physicochemical treatment functions. The reaction products can be solid, liquid or gaseous. A calocontactor may in particular play the role of thermal inertia in the reaction chamber and / or, when circulating, that of heat transfer vis-à-vis another thermodynamic fluid, optionally via a heat exchange with another calocontactor. The chamber may also be without vortex, and for example implement a flow against the current, or co-current, or fluidized bed.
Elle peut être aussi de type de chambre de combustion à lit solide statique, par exemple à grille, où les combustibles solides sont fragmentés, optionnellement grossièrement. Les réactions chimiques dans une chambre de réaction peuvent être des réactions cle combustion avec l'oxygène de matières carbonées de composition CHON, solides, pâteuses, liquides ou gazeuses, ou en mélange de ces formes. Elles peuvent être aussi des réactions différentes telles que: - la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène H2 +'h 02 -i H2O, caractérisée notamment par une énergie dégagée importante, une cinétique de réaction très rapide, de type explosif, et une température de flamme très élevée, de l'ordre de 2500 °K, température à laquelle des quantités significatives de NOx indésirables peuvent se former, et les dispositions d'une phase 4 sont de nature à surmonter ces difficultés; - la réaction d'un hydrure de métal alcalin X (lithium, sodium, potassium...) avec l'oxygène XII + '/2 02 - XOH (en fait généralement l'hydrure se décompose avec .a température et on a ensuite les réactions suivantes XII - X +'/2 H2, 112 +'/2 02 -> H2O, X + H2O - * XOH + '/2 H2), et le calocontacteur peut être l'hydroxyde XOH produit de la réaction, généralement liquide dans les conditions de fonctionnement de la chambre de réaction, où l'on maintient une quantité suffisante de XOH pour assurer le rôle de calocontacteur, l'excédent étant évacué.; - la réaction d'un métal alcalin X avec l'oxygène de l'air et l'eau 2X + H2O +'/2 02 -> 2XOH (en fait généralement via les réactions suivantes X + H2O - XOH +'/2 112, 'A H2 + '/4 02 ù> '/2 H2O, et de même, le calocontacteur peut être l'hydroxyde XOH. La chambre de réaction peut aussi être exempte de fluide thermodynamique, et s'y trouvent alors en mélange les réactifs, les produits de réaction non encore évacués. La chaleur primaire peut notamment être transmise à travers les parois d'échangeurs à un calocontacteur chaud qui circule à l'intérieur. Le milieu au sein duquel se dégage la chaleur primaire peut être totalement ou partiellement à l'état liquide. Par exemple, en utilisant la réaction 2X + H2O2 --+ 2XOH, le milieu est le métal alcalin X, et qui transmet sa chaleur à un calocontacteur à travers les parois (compte tenu de la très bonne conductibilité thermique des métaux liquides, les échanges thermiques peuvent ainsi être très efficaces) et l'hydroxyde XOH, généralement plus dense que le métal liquide X lui-même, peut être évacué de la chambre de réaction où un appoint du métal X peut être introduit afin de compenser la disparition du métal X transformé en son hydroxyde. Le SSSC peut comporter des appareils, dispositifs ou sous systèmes - de transfert de fluides, compressibles et/ou sous la forme de solide à l'état pulvérulent, et/ou à l'état liquide, optionnellement avec accroissement ou réduction de pression, permettant notamment de délimiter des parties du SSSC fonctionnant aux pressions choisies par conception, - de séparation entre différents fluides à l'état liquide et/ou compressible et/ou solide pulvérulent, - de traitement physico-chimique, - de régulation de pression. La figure 12 présente une configuration du SSSC où la génération de la chaleur primaire s'effectue dans une chambre de réaction (34-1) comportant des échangeurs de chaleur à parois (35), et où le SSSC (3) met en oeuvre trois fluides thermodynamiques (2-1), (2-2), (2-3), trois calocontacteurs chauds (1C-1), (1C-2), (1C-3), et le contact direct entre le calocontacteur 1 et le calocontacteur 2, et illustre dans cet exemple la possibilité de transférer la chaleur primaire à plusieurs cycles thermodynamiques. Le calocontacteur chaud 1 (1C-1) est circulant, mais interne au SSSC, où un premier fluide thermodynamique (2-1), par exemple de l'air, dont l'oxygène intervient dans les réactions générant la chaleur primaire, est introduit en (20) dans la chambre de réaction (34-1). Les réactifs (38) sont introduits dans la chambre de réaction par un ou plusieurs dispositifs d'introduction (39). Les résidus des réactions (40) en sont évacués par un dispositif d'évacuation (41). Le fluide thermodynamique 1 (2-1) quitte la chambre (le réaction en (21), optionnellement accompagné d'une fraction de calocontacteur 1 et/ou de réactifs et/ou de résidus, ces matières étant séparées du fluide thermodynamique 1 dans un ou un ensemble d'appareils de séparation gaz û liquides û (optionnellement) solides (30) et globalement ou sélectivement recirculées dans la chambre de réaction, ou évacuées, dans le cas des résidus (la recirculation et/ou l'évacuation de ces matières ne sont pas représentées sur la figure 12). Optionnellement, une fraction du fluide thermodynamique 1, aiguillée par le dispositif d'aiguillage (57), circule dans la canalisation (55) et effectue un bipasse de la chambre de réaction (34-1) et est introduite pour être mélangée avec le flux principal de fluide thermodynamique 1 (2-1) sortant de (30), par exemple clans une seconde chambre de réaction (34-2), pouvant contenir tin calocontacteur résident, ou dans un module de traitement physico ûchimique (52) ou directement en sortie de (30). Le fluide thermodynamique 1, peut subir ensuite un traitement physico û chimique dans l'appareil (52) et poursuit son cycle thermodynamique en dehors du SSSC (3). Le calocontacteur chaud 1 (1C-1) quitte la chambre de réaction en (28), optionnellement avec une fraction de fluide thermodynamique et des autres matières présentes dans la chambre, et qui sont séparés du calocontacteur et recirculés dans la chambre de réaction, optionnellement évacuées, dans le cas des résidus (la séparation et la recirculation du fluide thermodynamique et des matières accompagnant éventuellement le calocontacteur chaud 1 sortant en (28) ne sont pas représentées sur la figure 12), et il est circulé par un appareil de transfert (42-1), entre dans un ensemble mélangeur û échangeur û séparateur notamment à conte courant liquide û liquide ou liquide û solide (43) où il est en mélange avec le calocontacteur chaud 2 (1C-2), qui est notamment un liquide, et recirculé via un appareil de transfert (42-2) dans la chambre de réaction. Le calocontacteur 2 (1C-2) provenant de l'extérieur du SSSC (3) est circulé par une pompe, par exemple de réduction de pression (44-1), parcourt l'ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant (43) d'où il sort réchauffé, puis est circulé par exemple par une pompe d'accroissement de pression (45-1) et entre dans un ensemble mélangeur û échangeur -- séparateur gaz û liquide notamment à contre courant (46-1) où il transfère de la chaleur au fluide thermodynamique 2 (2-2), et quitte le SSSC (3) en étant transféré par une pompe (le circulation de liquide (31-1). Le fluide thermodynamique 2 entre dans le SSSC (3) propulsé par l'appareil de transfert de fluide gazeux (47-1), s'échauffe dans (46-1) et quitte le SSSC, optionnellement propulsé par l'appareil de transfert de fluides gazeux (47-2). De même le fluide thermodynamique 3 (2-3) entre dans le SSSC propulsé par l'appareil (47-3), s'échauffe par mélange avec le calocontacteur chaud 3 (1C-3), qui est notamment un liquide, au sein de l'ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant gaz û liquide (46-2) et quitte le SSSC, optionnellement propulsé par l'appareil de transfert (47-4). Le calocontacteur chaud 3 (1C-3) entre dans le SSSC, est propulsé par exemple par une pompe de réduction de pression (44-2), circule à l'intérieur des échangeurs à parois (35), subit par exemple une augmentation de pression dans (45-2), entre dlans l'ensemble (46-2) d'où il sort et quitte le SSSC propulsé par la pompe (31-2). It can also be static combustion bed type static, for example grid, where the solid fuels are fragmented, optionally coarsely. The chemical reactions in a reaction chamber may be combustion reactions with oxygen of carbonaceous materials of composition CHON, solid, pasty, liquid or gaseous, or in a mixture of these forms. They can also be different reactions such as: the reaction between hydrogen and oxygen H2 + H2O-I H2O, characterized in particular by a high energy release, a very rapid reaction kinetics, explosive type, and a very high flame temperature, of the order of 2500 ° K, at which temperature significant amounts of undesirable NOx can form, and the provisions of a phase 4 are likely to overcome these difficulties; the reaction of an alkali metal hydride X (lithium, sodium, potassium, etc.) with oxygen XII + 2/2-XOH (in fact generally the hydride decomposes with temperature and then the following reactions XII - X + '/ 2 H2, 112 +' / 2 02 -> H2O, X + H2O - * XOH + '/ 2 H2), and the calocontactor may be the XOH hydroxide product of the reaction, generally liquid under the operating conditions of the reaction chamber, where a sufficient amount of XOH is maintained to act as a heat exchange, the excess being discharged .; the reaction of an alkali metal X with the oxygen of the air and the water 2X + H 2 O + 2 O 2 -> 2XOH (in fact generally via the following reactions X + H2O - XOH + '/ 2 112 In the same way, the calocontactor may be XOH hydroxide, the reaction chamber may also be free of thermodynamic fluid, and then there will be mixed with the thermocouple. reagents, the reaction products not yet evacuated.The primary heat may in particular be transmitted through the walls of exchangers to a hot circulating collector which circulates in. The medium in which the primary heat is released can be totally or partially In the liquid state, for example, using the 2X + H2O2 - + 2XOH reaction, the medium is the alkali metal X, which transmits its heat to a calocontactor through the walls (taking into account the very good thermal conductivity liquid metals, heat exchange can thus be very efficient) and the XOH hydroxide, generally denser than the liquid metal X itself, can be removed from the reaction chamber where an extra metal X can be introduced to compensate for the disappearance of the metal X converted into its hydroxide. The SSSC may comprise devices, devices or sub-systems - fluid transfer, compressible and / or in the form of solid in the powder state, and / or in the liquid state, optionally with increase or reduction of pressure, allowing in particular to delimit parts of the SSSC operating at pressures selected by design, - separation between different fluids in the liquid state and / or compressible and / or solid powder, - physicochemical treatment, - pressure regulation. Fig. 12 shows a configuration of the SSSC where primary heat generation occurs in a reaction chamber (34-1) having wall heat exchangers (35), and wherein the SSSC (3) implements three thermodynamic fluids (2-1), (2-2), (2-3), three hot air conditioners (1C-1), (1C-2), (1C-3), and the direct contact between the heat sink 1 and the calocontactor 2, and illustrates in this example the possibility of transferring the primary heat to several thermodynamic cycles. The hot calocontactor 1 (1C-1) is circulating, but internal to the SSSC, where a first thermodynamic fluid (2-1), for example air, whose oxygen is involved in the reactions generating the primary heat, is introduced. in (20) in the reaction chamber (34-1). The reagents (38) are introduced into the reaction chamber by one or more introducing devices (39). The residues of the reactions (40) are evacuated by an evacuation device (41). The thermodynamic fluid 1 (2-1) leaves the chamber (the reaction at (21), optionally accompanied by a fraction of calocontactor 1 and / or reagents and / or residues, these materials being separated from the thermodynamic fluid 1 in a or a set of liquid (optional) solids (30) and globally or selectively recirculated in the reaction chamber, or discharged, in the case of residues (recirculation and / or disposal of these materials). 12) .Optionally, a fraction of the thermodynamic fluid 1, directed by the switching device (57), circulates in the pipe (55) and makes a bypass of the reaction chamber (34-1). ) and is introduced to be mixed with the main flow of thermodynamic fluid 1 (2-1) exiting from (30), for example in a second reaction chamber (34-2), which can contain a resident calocontactor, or in a module of treatment physico-chemical (52) or directly out of (30). The thermodynamic fluid 1 can then undergo a physicochemical treatment in the apparatus (52) and continues its thermodynamic cycle outside the SSSC (3). The hot calocontactor 1 (1C-1) leaves the reaction chamber at (28), optionally with a fraction of thermodynamic fluid and other materials present in the chamber, and which are separated from the calocontactor and recirculated in the reaction chamber, optionally discharged, in the case of residues (the separation and recirculation of the thermodynamic fluid and the materials possibly accompanying the hot calocontactor 1 exiting at (28) are not shown in Figure 12), and it is circulated by a transfer apparatus ( 42-1), enters a mixing unit - exchanger - separator in particular liquid tale-liquid or liquid liquid-solid (43) where it is in mixture with the hot calocontactor 2 (1C-2), which is in particular a liquid, and recirculated via a transfer apparatus (42-2) into the reaction chamber. The calocontactor 2 (1C-2) coming from the outside of the SSSC (3) is circulated by a pump, for example a pressure reduction pump (44-1), runs through the mixer / exchanger / countercurrent separator assembly (43). ) from where it leaves reheated, then is circulated for example by a pressure increase pump (45-1) and enters a mixing unit - exchanger - separator gas - liquid in particular against the current (46-1) where it transfers heat to the thermodynamic fluid 2 (2-2), and leaves the SSSC (3) while being transferred by a pump (the liquid circulation (31-1) .The thermodynamic fluid 2 enters the SSSC (3) propelled by the gaseous fluid transfer apparatus (47-1), heats up in (46-1) and leaves the SSSC, optionally propelled by the gaseous fluid transfer apparatus (47-2). thermodynamic fluid 3 (2-3) enters the SSSC propelled by the apparatus (47-3), warms up by mixing with the hot calocontactor 3 (1C-3), which is in particular a liquid, within the mixing unit - exchanger - liquid gas counterflow separator (46-2) and leaves the SSSC, optionally propelled by the transfer apparatus (47-4). The hot calocontactor 3 (1C-3) enters the SSSC, is propelled for example by a pressure reduction pump (44-2), circulates inside the wall exchangers (35), undergoes for example an increase of pressure in (45-2), between dlans all (46-2) where it leaves and leaves the SSSC powered by the pump (31-2).
Optionnellement, un autre fluide thermodynamique (par exemple de l'eau liquide et qui se vaporise) peut être introduit dans la chambre de réaction, de façon continue ou intermittente. L'intérêt de l'utilisation dans cette configuration des deux calocontacteurs différents 1 et 2 est de pouvoir utiliser comme second calocontacteur un liquide (par exemple un métal liquide) non réactif vis-à-vis du fluide thermodynamique 2 (qui peut être par exemple un gaz ou un mélange de gaz non oxydants, tel que gaz rare, azote,dioxyde (le carbone...) et du calocontacteur 1, mais qui serait réactif aux températures considérées avec le fluide thermodynamique 1, notamment si celui -- ci est de l'air et si le calocontacteur 2 est réactif avec l'oxygène (par exemple oxydation du calocontacteur 2 si celui ci est un métal liquide , situation que l'on veut éviter). Des dispositions sont alors prises pour que le calocontacteur 2 soit toujours dans des conditions non oxydantes dans les différents appareils où il circule, notamment l'ensemble (43). A partir de cette description, différentes variantes peuvent être envisagées. Certains appareils, notamment lorsque redondants ou inutiles, peuvent être omis. Il peut par exemple ne pas y avoir de calocontacteur 2, ni de fluide thermodynamique 2, au quel cas le calocontacteur 2 (1C-2), le fluide thermodynamique 2 (2-2) et les appareils (44-1), (43), (45-1), (46-1), (47-1), (47-2), (31-1) disparaissent de la figure 12. La chambre (le réaction peut ne pas comporter d'échangeur à parois, au quel cas il n'y ni calocontacteur 3 ni fluide thermodynamique 3, et les composants (47-3), (46-2), (31-2), (47-4), (44-2), (35), (45-2) disparaissent de la figure 12. Le Sous Système Source Froide, par lequel un ou plusieurs fluides thermodynamiques et/ou un ou plusieurs calocontacteurs froiids cèdent de la chaleur à l'extérieur, en la transférant à un ou plusieurs fluides dits source froide, tels que l'eau d'une rivière ou d'une étendue d'eau, ou l'air atmosphérique, et/ou par rayonnement vers l'extérieur via un ou plusieurs radiateurs présentant une surface radiative, peut présenter différentes configurations, où: * les échanges thermiques peuvent se faire via un ou plusieurs échangeurs à parois, sans ou avec caloporteur intermédiaire et/ou par mélange avec un calocontacteur, * le SSSF peut comporter des appareils ou dispositifs de transfert de fluides à l'état compressible, et/ou de fluides à l'état liquide avec ou sans augmentation, respectivement réduction, de pression, optionnellement de fluides sous la forme de solides à l'état pulvérulent, * lorsque le fluide thermodynamique contient, au moins à. une étape de son cycfe thermodynamique, de l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur, et que cet oxygène intervient comme réactif dans les réactions générant de la chaleur primaire, une partie ou la totalité du fluide thermodynamique peut être rejetée à l'extérieur via le SSSF et du nouveau fluide thermodynamique peut être prélevé à l'extérieur, via un c,u plusieurs dispositifs d'aiguillage de fluides, en permettant lorsque nécessaire un réglage précis des quantités de fluide thermodynamique rejetées et prélevées à l'extérieur, * le SSSF peut optionnellement se réduire à l'évacuation de tout ou partie du fluide thermodynamique vers l'extérieur et l'introduction de nouveau fluide thermodynamique provenant de l'extérieur, ou stocké dans le dispositif ou auprès de lui, * le fluide thermodynamique peut optionnellement traverser le SSSF sans modification 45 significative de ses paramètres thermodynamiques, * le SSSF peut optionnellement se réduire à l'introduction et à l'évacuation de fluide source froide, notamment de l'eau, et qui peut jouer le rôle de calocontacteur dans d'autres sous systèmes. Nous présentons ci-dessous quelques illustrations. Optionally, another thermodynamic fluid (for example liquid water which vaporizes) can be introduced into the reaction chamber, continuously or intermittently. The advantage of using in this configuration two different calocontactors 1 and 2 is to be able to use as second calocontactor a liquid (for example a liquid metal) unreactive vis-à-vis the thermodynamic fluid 2 (which may be for example a gas or a mixture of non-oxidizing gases, such as rare gas, nitrogen, dioxide (carbon ...) and calocontactor 1, but which would be reactive at the temperatures considered with the thermodynamic fluid 1, especially if it is air and if the calocontactor 2 is reactive with the oxygen (for example oxidation of the calocontactor 2 if it is a liquid metal, a situation that is to be avoided), provision is then made for the calocontactor 2 to be always in non-oxidizing conditions in the various apparatuses where it circulates, in particular the assembly (43) From this description, various variants can be envisaged Some apparatus, in particular when redundant or unnecessary, may be omitted. For example, there may be no calocontactor 2 or thermodynamic fluid 2, in which case the calocontactor 2 (1C-2), the thermodynamic fluid 2 (2-2) and the devices (44-1), (43-1). ), (45-1), (46-1), (47-1), (47-2), (31-1) disappear from FIG. 12. The chamber (the reaction may not comprise a heat exchanger walls, in which case there is neither calocontactor 3 nor thermodynamic fluid 3, and the components (47-3), (46-2), (31-2), (47-4), (44-2), (35), (45-2) disappear from FIG. 12. The Cold Source Sub System, by which one or more thermodynamic fluids and / or one or more cold calocontactors yield heat to the outside, transferring it to a or a plurality of so-called cold source fluids, such as water from a river or body of water, or atmospheric air, and / or radiation to the outside via one or more radiators having a radiative surface, can present different configurations, where: * thermal exchanges s can be carried out via one or more wall exchangers, with or without intermediate heat transfer and / or by mixing with a heat-exchange device, * the SSSF may comprise devices or devices for transferring fluids in the compressible state, and / or fluids in the liquid state with or without increase, respectively reduction, of pressure, optionally fluids in the form of solids in the powder state, * when the thermodynamic fluid contains at least. a stage of its thermodynamic cycle, of the oxygen taken from or with outside air, and that this oxygen acts as a reagent in the reactions generating primary heat, a part or the totality of the thermodynamic fluid can be rejected at the outside via the SSSF and the new thermodynamic fluid can be taken outside, via a c, u several fluid referral devices, allowing when necessary a precise adjustment of the quantities of thermodynamic fluid discharged and removed from the outside , * the SSSF can optionally be reduced to the evacuation of all or part of the thermodynamic fluid to the outside and the introduction of new thermodynamic fluid from outside, or stored in the device or near him, * the fluid thermodynamics can optionally cross the SSSF without significant modification of its thermodynamic parameters, * the SSSF can optionally be reduced re introduction and evacuation of cold source fluid, especially water, and which can play the role of calocontactor in other subsystems. We present below some illustrations.
Tel que schématisé ;sur les figures 13, 14,15 et 16, le fluide thermodynamique (2) entre dans le SSSF (4) pour en sortir refroidi, et un fluide dit source froide (48) (eau d'une rivière ou d'une étendue d'eau, air atmosphérique...) entre dans le SSSF et en sort réchauffé. L'échange thermique entre le fluide thermodynamique et le fluide source froide se fait via un échangeur à parois, notamment à contre courant (49) (sur la figure 13), ou plusieurs (sur la figure 14) échangeurs à parois (49-1), (49-2) avec caloporteur intermédiaire (50) circulé par une pompe (31-2), le fluide source froide étant circulé par une pompe (31-1), et/ou par contact direct entre fluide thermodynamique et un calocontacteur froid (IF), circulé par des pompes de circulation (31-1) et/ou (31-2), dans un ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant (46), échangeant lui même de la chaleur avec le fluide source froide via un échangeur à parois (49) (figure 15) ou par contact direct dans un mélangeur û échangeur û séparateur (46-2)(figure 16, où le fluide source froide est par exemple de l'ait extérieur, circulé dans (46-2) par des appareils de transfert de fluide compressible (47-1) et/ou (47-2)). La figure 16 illustre aussi qu'un dispositif d'aiguillage (57) peut permettre d'évacuer vers l'extérieur une partie du fluide thermodynamique (2), notamment de l'air issu des réactions dégageant la chaleur primaire dans le SSSC, (2"), et d'introduire de l'air frais extérieur (2'), circulé par un appareil de transfert de fluide compressible (47-3), dans des proportions réglables. Optionnellement, tel qu'illustré sur les figures 15 (où le fluide source froide (48) est circulé par une pompe (31-3)) et 16, le calocontacteur froid 1F peut en parallèle circuler à l'extérieur du SSSF, notamment dans un SSCC, via des canalisations (55-1) et (55-2). Tel que schématisé sur les figures 17 et 18, un calocontacteur froid (1F) entre dans [e SSSF pour en sortir refroidi et le fluide source froide (48) entre dans le SSSF pour en sortir réchauffé. L'échange thermique entre calocontacteur et fluide source froide peut se faire via un ou plusieurs échangeurs à parois (49-1), (49-2), avec caloporteur intermédiaire (50), circulé par la pompe (31-1), sur la figure 17, et/ou par contact direct dans un ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant liquide û liquid.e lorsque le fluide source froide (48) et le calocontacteur froid (1F) sont des liquides mutuellement non réactifs et non miscibles, ou liquide û gaz (46) comme indiqué sur la figure 18, où le fluide thermodynamique est par exemple de l'air extérieur, circulé dans (46) par des appareils de transfert de fluide compressible (47-1) et/ou (47-2). Tel que schématisé sur la figure 19, le SSSF se réduit à l'évacuation de tout ou partie du fluide thermodynamique vers l'extérieur et à l'introduction de nouveau fluide thermodynamique, typiquement de l'air, provenant de l'extérieur, où le fluide thermodynamique (2), provenant du reste du dispositif et procédé de l'invention, entre en (20-1) dans le SSSF (4), une fraction (ou la totalité) du fluide thermodynamique (2) est rejetée à l'extérieur en (21-1) et une fraction ( ou la totalité) de nouveau fluide thermodynamique provenant de l'extérieur est introduit en (20-2) dans le SSSF, est optionnellement propulsé par (47), et sort en (21-2). Tel que schématisé sur la figure 20, le SSSF se réduit à l'introduction et à l'évacuation du fluide source froide (alors généralement de l'eau, et qui joue le rôle de calocontacteur dans d'autres sous systèmes, notamment le SSCC), où le fluide source froide (48) provenant de l'extérieur entre en (27-1) dans le SSSF (4) qui dirige le fluide source froide, via par exemple une pompe d'accroissement de pression (45), vers l'intérieur du dispositif, et où le fluide source froide provenant de l'intérieur du dispositif et procédé où il a reçu des calories, retourne au SSSF, où il entre en (27-2), qui dirige ce fluide source froide vers l'extérieur, via par exemple une pompe de réduction de pression (44). As shown diagrammatically, in FIGS. 13, 14, 15 and 16, the thermodynamic fluid (2) enters the SSSF (4) to leave it cooled, and a so-called cold source fluid (48) (water from a river or d 'an expanse of water, atmospheric air ...) enters the SSSF and comes out warmed up. The heat exchange between the thermodynamic fluid and the cold source fluid is via a wall exchanger, in particular against the current (49) (in FIG. 13), or several (in FIG. 14) wall exchangers (49-1). ), (49-2) with intermediate heat transfer medium (50) circulated by a pump (31-2), the cold source fluid being circulated by a pump (31-1), and / or by direct contact between thermodynamic fluid and a heat sink cold (IF), circulated by circulating pumps (31-1) and / or (31-2), in a mixing unit - exchanger - countercurrent separator (46), itself exchanging heat with the source fluid cold via a wall exchanger (49) (FIG. 15) or by direct contact in a mixer-exchanger / separator (46-2) (FIG. 16, where the cold source fluid is, for example, from the outside, circulated in ( 46-2) by compressible fluid transfer devices (47-1) and / or (47-2)). FIG. 16 also illustrates that a switching device (57) can make it possible to discharge a portion of the thermodynamic fluid (2), in particular air originating from the reactions releasing the primary heat into the SSSC, ( 2 "), and introducing fresh external air (2 '), circulated by a compressible fluid transfer apparatus (47-3), in adjustable proportions, optionally as illustrated in FIGS. where the cold source fluid (48) is circulated by a pump (31-3)) and 16, the cold calocontactor 1F can flow parallel to the outside of the SSSF, in particular in an SSCC, via pipes (55-1) and (55-2) As schematized in FIGS. 17 and 18, a cold calocontactor (1F) enters [e SSSF to exit cooled and the cold source fluid (48) enters the SSSF to exit warmed. heat exchange between the heat exchange valve and the cold source fluid can be via one or more wall exchangers (49-1), (49-2), With intermediate coolant (50), circulated by the pump (31-1), in FIG. 17, and / or by direct contact in a mixing unit - exchanger - separator with a liquid countercurrent - liquid when the cold source fluid ( 48) and the cold calocontactor (1F) are mutually non-reactive and immiscible liquids, or liquid-gas (46) as shown in FIG. 18, where the thermodynamic fluid is, for example, outside air circulated in (46). ) by compressible fluid transfer devices (47-1) and / or (47-2). As shown schematically in FIG. 19, the SSSF is reduced to evacuating all or part of the thermodynamic fluid outwards and introducing new thermodynamic fluid, typically air, coming from outside, where the thermodynamic fluid (2), coming from the remainder of the device and method of the invention, enters (20-1) in the SSSF (4), a fraction (or all) of the thermodynamic fluid (2) is rejected at the outside (21-1) and a fraction (or all) of new thermodynamic fluid coming from the outside is introduced in (20-2) in the SSSF, is optionally propelled by (47), and leaves in (21) -2). As shown diagrammatically in FIG. 20, the SSSF is reduced to the introduction and the evacuation of the cold source fluid (then generally water, and which acts as a heat sink in other subsystems, in particular the SSCC ), where the cold source fluid (48) coming from the outside enters (27-1) in the SSSF (4) which directs the cold source fluid, via for example a pressure increase pump (45), to inside the device, and where the cold source fluid from inside the device and method where it has received calories, returns to the SSSF, where it enters (27-2), which directs this cold source fluid to the outside, via for example a pressure reduction pump (44).
Le Sous Système Echangeur Régénérateur joue un rôle d'échangeur thermique à contre courant. Il réalise une fonction d'échange thermique à contre courant du fluide thermodynamique sur lui même, où le fluide thermodynamique, à un stade 1 de son cycle, entre dans le SSER et en sort refroidi, en cédant de la chaleur au même fluide thermodynamique, à un autre stade 2 de son cycle, qui entre dans le SSER et en sort réchauffé. La figure 21 décrit un agencement type du SSER. Le fluide thermodynamique (2-1) au stade 1 évolue dans le SSER à une pression PI et le fluide thermodynamique au stade 2 évolue à une pression P2. Le SSER (9) comporte un ou plusieurs modules, trois sont illustrés sur la figure 21 (51-1), (51-2), (51-3), à travers lesquels circule le fluide thermodynamique au stade 1 et au stade 2, et chaque module comporte au moins un mélangeur û échangeur û séparateur fonctionnant à contre courant sur la ligne à la pression P1, désignés (46-1-1), (46-2-1), (46-3-1) sur la figure 21, et au moins un mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant (échange de chaleur méthodique) sur la ligne à la pression P2, désignés (46-1-2), (46-2-2), (46-3-2) sur la figure 21, et dans chaque module, par exemple le module (51-2) le calocontacteur intermédiaire (11-2) circule à contre courant du fluide thermodynamique, une pompe d'augmentation de pression (45-2) faisant passer le calocontacteur de la pression P2 à la pression P1 (dans le cas où Pl est supérieure à P2) et une pompe de réduction de pression (44-2) faisant passer le calocontacteur de la pression P1 à la pression P2, les axes de rotation de ces deux pompes pouvant optionnellement être couplés. Des appareils de transfert de fluide à ['état gazeux (47) peuvent optionnellement assurer, ou contribuer a, la circulation du fluide thermodynamique dans le SSER. Dans chaque module, le calocontacteur effectue un cycle fermé et assure une fonction de transfert de chaleur entre le fluide thermodynamique au stade 1 et le fluide thermodynamique au stade 2, l'évolution de température du fluide thermodynamique au stade 1 et au stade 2 pouvant s'effectuer dans des conditions quasi isobares. Les débits de calocontacteur dans chaque module sont notamment ajustés afin que la température du fluide thermodynamique au stade 2 en sortie du SSER soit égale à ou très proche de sa température au stade 1 en entrée du SSER, et que la température du fluide thermodynamique au stade 1 en sortie du SSER soit égale à ou très proche de sa température au stade 2 en entrée du SSER. Chaque module peut utiliser un calocontacteur différent, notamment en fonction de la gamme de température régnant dans chaque module. Un ou plusieurs modules peuvent optionnellement être remplacés par un échangeur à parois fluide compressible ù fluide compressible à contre courant. Les pressions Pr et P2 peuvent dans certains cas être égales, et les pompes d'augmentation et de réduction de pression sont alors remplacées par des appareils de transfert de fluide incompressible, notamment des pompes de circulation de liquide. The Regenerator Heat Exchanger System acts as a countercurrent heat exchanger. It performs a counter-current heat exchange function of the thermodynamic fluid on itself, where the thermodynamic fluid, at a stage 1 of its cycle, enters the SSER and comes out cooled, yielding heat to the same thermodynamic fluid, at another stage 2 of its cycle, which enters the SSER and comes out warmed. Figure 21 depicts a typical arrangement of the SSER. The thermodynamic fluid (2-1) in stage 1 evolves in the SSER at a pressure P1 and the thermodynamic fluid in stage 2 evolves at a pressure P2. The SSER (9) comprises one or more modules, three of which are illustrated in FIG. 21 (51-1), (51-2), (51-3), through which the thermodynamic fluid flows in stage 1 and stage 2 , and each module comprises at least one mixer - exchanger - separator operating against the current on the line at the pressure P1, designated (46-1-1), (46-2-1), (46-3-1) on 21, and at least one reverse exchanger / heat exchanger (method heat exchanger) mixer on the pressure line P2, designated (46-1-2), (46-2-2), (46- 3-2) in FIG. 21, and in each module, for example the module (51-2), the intermediate calocontactor (11-2) flows against the current of the thermodynamic fluid, a pressure increase pump (45-2 ) passing the pressure switch P2 to the pressure P1 (in the case where P1 is greater than P2) and a pressure reduction pump (44-2) passing the pressure switch P1 to the pressure P2 , the axes of rotation of these two pumps can optionally be coupled. Gaseous fluid transfer apparatuses (47) may optionally provide, or contribute to, the flow of thermodynamic fluid into the SSER. In each module, the calocontactor carries out a closed cycle and provides a heat transfer function between the thermodynamic fluid at stage 1 and the thermodynamic fluid at stage 2, the temperature evolution of the thermodynamic fluid at stage 1 and at stage 2 being able to perform in near isobaric conditions. The calocontactor flow rates in each module are notably adjusted so that the temperature of the thermodynamic fluid at stage 2 at the outlet of the SSER is equal to or very close to its temperature at stage 1 at the inlet of the SSER, and the temperature of the thermodynamic fluid at the stage 1 at the exit of the SSER is equal to or very close to its stage 2 temperature at the entrance of the SSER. Each module can use a different calocontactor, in particular according to the temperature range prevailing in each module. One or more modules may optionally be replaced by a compressible fluid wall exchanger - compressible fluid against the current. The pressures Pr and P2 may in some cases be equal, and the pumps for increasing and reducing pressure are then replaced by incompressible fluid transfer devices, including liquid circulation pumps.
Nous présentons maintenant l'agencement des sous systèmes caractéristiques du dispositif et procédé de l'invention pour réaliser les cycles thermodynamiques considérés, dans des conditions par lesquelles au moins un fluide thermodynamique transforme en énergie mécanique de la chaleur reçue à température élevée, en effectuant un cycle thermodynamique, où il cède de la chaleur à l'extérieur à température basse, et comprenant au moins une étape de détente à température initiale élevée et avec production d'énergie mécanique, et au moins une étape de compression à température initiale basse. La mise en oeuvre d'un cycle thermodynamique est: notamment possible en configurant le dispositif et procédé de façon adaptée, et comportant au moins un SSSC, un SSSF, un sous système de détente avec génération de travail, SSDC ou SSDS, et un sous système de compression avec réception de travail (ou sans réception de travail si le fluide thermodynamique est à l'état liquide) SSCC ou SSCS. Il est notamment possible de réaliser un cycle à deux sources de chaleur (source chaude et source froide) produisant de l'énergie mécanique. L'énergie mécanique est notamment disponible sur les axes en rotation des appareils du SSDC et/ou du SSDS, qui peut entraîner les axes de rotation du SSCC et/ou du SSCS. Le dispositif et procédé peut notamment être configuré pour qu'un seul fluide thermodynamique y effectue un quasi cycle de Ericsson, où 1,e fluide thermodynamique est à l'état compressible tout au long du cycle. Compte tenu en effet de la baisse, respectivement de l'augmentation, de la température du fluide thermodynamique lors de l'étape de détente, respectivement compression, même si elles sont limitées, et éventuellement du fait que l'échange de chaleur régénératif peut faire apparaître des écarts, de préférence faibles, entre ses températures d'entré au stade 1, respectivement 2, et sortie au stade 2, respectivement 1, le dispositif et procédé de l'invention ne met pas exactement en oeuvre un cycle de Ericsson, d'où la désignation de quasi cycle de Ericsson, où le fluide thermodynamique effectue une compression quasi isotherme, puis un échauffement isobare dont une partie est régénérative., puis une détente quasi isotherme, puis un refroidissement isobare, dont une partie est régénérative, puis débute un nouveau cycle. La mise en oeuvre d'un tel quasi cycle de Ericsson peut notamment être la suivante, et la configuration correspondante, représentée sur la figure 22, connecte, en ce qui concerne le fluide thermodynamique (2) et dans son sens de circulation: * un SSCC (7) où il réalise une compression quasi isotherme depuis la température TD la plus basse du cycle et jusqu'à la température TA, et d'où il sort séparé du calocontacteur, * la ligne de réchauffage du SSER (9), où il effectue un réchauffage isobare régénératif à la pression haute du cycle depuis la température TA et jusqu'à la température TB., *un SSSC (3), où il reçoit à la pression haute du cycle un complément de chaleur isobare du calocontacteur chaud, dans un ou plusieurs appareils mélangeurs û échangeurs û séparateurs notamment à contre courant, d'où il sort à la température TB, *un SSDC (5) où il réalise une détente quasi isotherme depuis la température TB et depuis la pression haute et jusqu'à la pression basse et jusqu'à la température Tc, et d'où il sort séparé du calocontacteur, * un SSER (9), parcouru sur la ligne de refroidissement, où il effectue Ln refroidissement régénératif à la pression basse du cycle depuis la température Tc et jusqu'à la température TD., * un SSSF (4), où il reçoit un complément de refroidissement isobare à la pression basse depuis la température TD, et jusqu'à la température TB, par mise en mélange (et échange thermique, notamment à contre courant, avec le calocontacteur froid à sa température la plus basse, cette étape pouvant optionnellement être combinée avec e début de la compression quasi isotherme, * et à nouveau le SSCC (7), pur un nouveau cycle. Le calocontacteur chaud (1C), qui accompagne le fluide thermodynamique dans sa détente quasi isotherme dans le SSDC (5), sort du SSSC (3) à une température égale à ou proche de TB, pour entrer dans le SSDC (5) d'où il ressort refroidi et séparé du fluide thermodynamique, à une température égale à ou proche de Tc, pour entrer dans le SSSC:-,' (3) et s'y réchauflèr, en effectuant un cycle. Le calocontacteur froid (1F), qui accompagne le fluide thermodynamique dans sa compression quasi isotherme, effectue un cycle, où il sort du SSSF (4) à une température égale à ou proche de TD, entre dans le SSCC (7) d'où il ressort réchauffé et séparé du fluide thermodynamique, pour revenir au SSSF (4) à une température égale à ou proche de TA. Les températures caractéristiques du fluide thermodynamique sont telles que TB, soit égale à ou très proche de Tc (notamment en lui étant inférieure), TD' égale à ou très proche de TA (notamment en lui étant supérieure), et Tc inférieure à et assez proche de TB, (TB ù Tc)/TB étant la valeur absolue de la variation relative de température au cours de la détente quasi isotherme, et TA supérieure à et assez proche de TD, (TA -- TD)/TD étant la valeur absolue de la variation relative de température au cours de la compression quasi isotherme. Des appareils de transfert de liquides (31), optionnellement avec augmentation ou réduction de pression, assurent la circulation du calocontacteur chaud, du calocontacteur froid, et celle du fluide source froide, certains de ces appareils pouvant être omis si la propulsion, optionnellement l'augmentation ou la réduction de pression, est assurée par un appareil équivalent à l'intérieur de l'un quelconque des cinq sous systèmes. Optionnellement, lorsque le fluide thermodynamique contient, au moins à une étape de son cycle thermodynamique, de l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur, et que cet oxygène intervient comme réactif dans les réactions générant la chaleur primaire, une partie ou la totalité du fluide thermodynamique peut être rejetée à l'extérieur par le SSSF (4), et être remplacée par de l'air et/ou de l'oxygène prélevés à l'extérieur, et daris des proportions optionnellement réglables, et où, dans le cas où la pression basse du cycle est supérieure à la pression atmosphérique, le fluide thermodynamique rejeté est détendu de la pression basse du cycle jusqu'à la pression atmosphérique avec ou saris mélange avec un calocontacteur, et l'air et/ou l'oxygène prélevé à l'extérieur est comprimé depuis la pression atmosphérique jusqu'à la pression basse du cycle, avec eu sans mélange avec un calocontacteur, par exemple en effectuant les étapes (D ù> E) et (E - D) illustrées sur la figure 3 (sous forme d'isothermes dans cet exemple). Le Dispositif peut aussi être configuré pour qu'un fluide thermodynamique y effectue un quasi cycle de Carnot, où le fluide thermodynamique est à l'état compressible tout au long du cycle. La configuration correspondante, représentée sur la figure 23, connecte, en ce qui concerne le fluide thermodynamique (2), dans son sens de circulation, un SSDC (5) où il effectue une détente quasi isotherme depuis la pression PB et la température TB, les plus hautes du cycle, et jusqu'à la pression Pc et la température Tc, un SSDS (6) où il effectue une détente quasi adiabatique depuis la pression Pc et la température Tc et jusqu'à la pression PD et la température TD, les plus basses du cycle, un SSSF (4) que le fluide thermodynamique (2) traverse saris modification significative de ses paramètres thermodynamiques, un SSCC (7) où il effectue une compression quasi isotherme depuis la pression PD et la température TD et jusqu'à la pression PA et la température TA, un SSCS de type 1 (8) où il effectue une compression quasi adiabatique depuis la pression PA et la température TA et jusqu'à la pression PB et la température TB, et un SSSC (3) que le fluide thermodynamique (2) traverse sans modification significative de ses paramètres thermodynamiques. Les pressions et températures caractéristiques du cycle thermodynamique sont telles que TA est supérieure à et assez proche de TD, (TA ù TD)/TD étant la valeur absolue de la variation relative de température au cours de la compression quasi isotherme, et Tc est inférieure à et assez proche de TB, (TB ù Tc)/TB étant la valeur absolue de la variation relative de température au cours de la détente quasi isotherme, et où PB'"'/TBr est égal à ou proche de PAS"'/TAA et où Pc'l/Tcr est égal à ou proche de PDY"'/TDr. Le calocontacteur chaud (1C), qui accompagne le fluide thermodynamique (2) dans sa détente quasi isotherme, est circulé par des pompes (31), optionnellement avec réduction ou augmentation de pression, et effectue un cycle où il sort refroidi du SSDC (5) pour entrer dans le SSSC (3) et y récupérer de la chaleur. Le calocontacteur froid (1F) est circulé par des pompes (31), optionnellement avec réduction ou augmentation de pression, et effectue un cycle fermé, où il sort réchauffé du SSCC (7) pour entrer dans le SSSF (4) et y céder de la chaleur. Optionnellement, lorsque le fluide thermodynamique contient, au moins à une étape de son cycle thermodynamique, de l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur, et que cet oxygène intervient comme réactif dans des réactions générant de la chaleur primaire, une partie ou la totalité du fluide thermodynamique peut être rejetée à l'extérieur et remplacée par de l'air et/ou de l'oxygène prélevé à l'extérieur, et dans des proportions optionnellement réglables, et où, dans le cas où la pression basse du cycle est supérieure à la pression atmosphérique, le fluide thermodynamique rejeté est détendu de la pression basse du cycle jusqu'à la pression atmosphérique avec ou sans mélange avec un calocontacteur, et l'air et/cu l'oxygène prélevé à l'extérieur est comprimé depuis la pression atmosphérique jusqu'à 1a pression basse du cycle, avec ou sans mélange avec un calocontacteur. We now present the arrangement of the subsystems characteristic of the device and method of the invention for carrying out the thermodynamic cycles under consideration, under conditions in which at least one thermodynamic fluid converts the heat energy received at high temperature into mechanical energy, by carrying out a thermodynamic cycle, where it gives off heat to the outside at low temperature, and comprising at least one step of expansion at high initial temperature and with production of mechanical energy, and at least one compression step at low initial temperature. The implementation of a thermodynamic cycle is: notably possible by suitably configuring the device and method, and comprising at least one SSSC, a SSSF, an expansion sub-system with work generation, SSDC or SSDS, and a sub-system Compression system with working reception (or without working reception if the thermodynamic fluid is in the liquid state) SSCC or SSCS. In particular, it is possible to carry out a cycle with two heat sources (hot source and cold source) producing mechanical energy. The mechanical energy is available in particular on the rotating axes of the SSDC and / or SSDS devices, which can drive the axes of rotation of the SSCC and / or the SSCS. The device and method may in particular be configured so that a single thermodynamic fluid performs a quasi-Ericsson cycle, where the thermodynamic fluid is in the compressible state throughout the cycle. Taking into account the decrease, respectively the increase, the temperature of the thermodynamic fluid during the expansion step, respectively compression, even if they are limited, and possibly because the regenerative heat exchange can make appear deviations, preferably low, between its temperatures of entry to stage 1, respectively 2, and output stage 2, respectively 1, the device and method of the invention does not exactly implement a cycle of Ericsson, d where the Ericsson quasi-cycle designation, where the thermodynamic fluid performs a quasi-isothermal compression, then an isobaric heating of which a part is regenerative, then an almost isothermal relaxation, then an isobaric cooling, of which a part is regenerative, then begins a new cycle. The implementation of such a quasi-Ericsson cycle may notably be as follows, and the corresponding configuration, shown in FIG. 22, connects, as regards the thermodynamic fluid (2) and in its direction of circulation: SSCC (7) where it carries out an almost isothermal compression from the lowest temperature TD of the cycle and up to the temperature TA, and from which it leaves separated from the calocontactor, * the heating line of the SSER (9), where it carries out a regenerative isobaric reheating at the high pressure of the cycle from the temperature TA and up to the temperature TB., * a SSSC (3), where it receives at the high pressure of the cycle a supplement of isobaric heat of the hot calocontactor, in one or more mixing devices - exchangers - separators in particular against the current, from which it leaves at the temperature TB, * an SSDC (5) where it carries out an almost isothermal relaxation from the temperature TB and from the high pressure and up to at l at low pressure and up to the temperature Tc, and from which it leaves separated from the calocontactor, * a SSER (9), traveled on the cooling line, where it performs Ln regenerative cooling at the low pressure of the cycle since the temperature Tc and up to the temperature TD., * A SSSF (4), where it receives additional isobaric cooling at the low pressure from the temperature TD, and up to the temperature TB, by mixing (and heat exchange , in particular against the current, with the cold calocontactor at its lowest temperature, this step being optionally combined with the beginning of the quasi-isothermal compression, and again the SSCC (7), for a new cycle. The hot calocontactor (1C), which accompanies the thermodynamic fluid in its almost isothermal expansion in the SSDC (5), leaves the SSSC (3) at a temperature equal to or close to TB, to enter the SSDC (5). wherein it exits cooled and separated from the thermodynamic fluid, at a temperature equal to or close to Tc, to enter the SSSC: -, '(3) and reheating it, performing a cycle. The cold calocontactor (1F), which accompanies the thermodynamic fluid in its almost isothermal compression, performs a cycle, where it leaves the SSSF (4) at a temperature equal to or close to TD, enters the SSCC (7) where it is heated and separated from the thermodynamic fluid, to return to the SSSF (4) at a temperature equal to or close to TA. The characteristic temperatures of the thermodynamic fluid are such that TB, equal to or very close to Tc (in particular being lower), TD 'equal to or very close to TA (in particular being higher), and Tc less than and enough close to TB, (TB ù Tc) / TB being the absolute value of the relative temperature variation during the almost isothermal expansion, and TA greater than and close to TD, (TA - TD) / TD being the value absolute of the relative temperature variation during the quasi-isothermal compression. Liquid transfer devices (31), optionally with an increase or reduction of pressure, ensure the circulation of the hot and cold calocontactors, and that of the cold source fluid, some of which can be omitted if the propulsion, optionally the increase or reduction of pressure, is provided by an equivalent apparatus within any one of the five subsystems. Optionally, when the thermodynamic fluid contains, at least at a stage of its thermodynamic cycle, oxygen taken from or with outside air, and that oxygen is involved as a reactant in the reactions generating the primary heat, a part or the totality of the thermodynamic fluid can be rejected externally by the SSSF (4), and be replaced by externally collected air and / or oxygen, with optionally adjustable proportions, and where, in the case where the low pressure of the cycle is greater than the atmospheric pressure, the rejected thermodynamic fluid is released from the low pressure of the cycle to the atmospheric pressure with or without mixing with a calocontactor, and the air and / or the Oxygen taken outside is compressed from atmospheric pressure to the low pressure of the cycle, with no mixing with a calocontactor, for example by performing the steps (D ù> E) e t (E - D) shown in Figure 3 (as isotherms in this example). The device can also be configured for a thermodynamic fluid to perform a quasi Carnot cycle, where the thermodynamic fluid is in the compressible state throughout the cycle. The corresponding configuration, shown in FIG. 23, connects, with respect to the thermodynamic fluid (2), in its direction of circulation, an SSDC (5) where it performs an almost isothermal expansion from the pressure PB and the temperature TB, the highest of the cycle, and up to the pressure Pc and the temperature Tc, an SSDS (6) where it performs a quasi-adiabatic expansion from the pressure Pc and the temperature Tc and up to the pressure PD and the temperature TD, the lowest of the cycle, a SSSF (4) that the thermodynamic fluid (2) passes through a significant modification of its thermodynamic parameters, an SSCC (7) where it performs an almost isothermal compression from the pressure PD and the temperature TD and up to at the pressure PA and the temperature TA, a SSCS type 1 (8) where it performs a quasi-adiabatic compression from the pressure PA and the temperature TA and up to the pressure PB and the temperature TB, and a SSSC (3) that the thermodynamic fluid e (2) passes without significant modification of its thermodynamic parameters. The pressures and temperatures characteristic of the thermodynamic cycle are such that TA is greater than and quite close to TD, (TA ù TD) / TD being the absolute value of the relative temperature variation during the quasi-isothermal compression, and Tc is less at and close to TB, (TB ù Tc) / TB being the absolute value of the relative temperature variation during the almost isothermal expansion, and where PB '"' / TBr is equal to or close to PAS" '/ TAA and where Pc'l / Tcr is equal to or close to PDY "'/ TDr The hot calocontactor (1C), which accompanies the thermodynamic fluid (2) in its almost isothermal expansion, is circulated by pumps (31), optionally with reduction or increase of pressure, and cycle when it leaves the SSDC (5) cooled to enter the SSSC (3) and recover heat there.The cold calocontactor (1F) is circulated by pumps (31) , optionally with reduction or increase of pressure, and carries out a cycle fe rmé, where it comes warmed from the SSCC (7) to enter the SSSF (4) and give it heat. Optionally, when the thermodynamic fluid contains, at least at a stage of its thermodynamic cycle, oxygen taken from or with outside air, and this oxygen acts as a reactant in reactions generating primary heat, a part or the totality of the thermodynamic fluid can be rejected externally and replaced by air and / or oxygen removed externally, and in optionally adjustable proportions, and where, in the case where the low pressure of the cycle is greater than the atmospheric pressure, the rejected thermodynamic fluid is released from the low pressure of the cycle up to the atmospheric pressure with or without a mixture with a calocontactor, and the air and / cu the oxygen taken outside is compressed from atmospheric pressure to low cycle pressure, with or without mixing with a calocontactor.
Le Dispositif peut aussi notamment être configuré pour qu'un seul fluide thermodynamique y effectue un cycle de Brayton, où le fluide thermodynamique est toujours à l'état compressible. La configuration correspondante présentée sur la figure 24, connecte, en ce qui concerne le fluide thermodynamique et dans sons sens de circulation, un SSSC (3), un SSDS (6), un SSSF (4) et un SSCS de type 1 (8). Lorsque ce fluide contient de l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur, et que cet oxygène est impliqué dans les réactions générant la chaleur primaire, une partie ou la totalité du fluide thermodynamique est rejeté à l'extérieur, via le SSSF (4), optionnellement après avoir cédé des calories dans un échangeur à parois à un second fluide thermodynamique afin de réaliser un cycle combiné, et où, dans le cas où la pression basse du cycle est supérieure à la pression atmosphérique, le fluide thermodynamique rejeté est détendu de la pression basse du cycle jusqu'à la pression atmosphérique avec ou sans mélange avec un calocontacteur, et l'air et/ou l'oxygène prélevé à l'extérieur est comprimé depuis la pression atmosphérique jusqu'à la pression basse du cycle, avec ou sans mélange avec un calocontacteur. Optionnellement, le SSSE (4) se réduit à l'évacuation à l'extérieur de la totalité de l'air et à l'introduction en totalité d'air frais prélevé à l'extérieur. Il est aussi possible optionnellement d'introduire à l'état liquide un second fluide thermodynamique, par exemple de l'eau, dans la chambre de réaction du SSSC (3), et qui s'y vaporise. Le fluide thermodynamique peut optionnellement effectuer un cycle de Brayton avec régénération, où le fluide thermodynamique sortant du SSDS (6) entre alors dans un SSER ligne de refroidissement, en sort pour entrer dans le SSSF (4), et à sa sortie du SSCS (8), entre dans la ligne de réchauffage du SSER, avant d'entrer dans le SSSC (3). Le Dispositif peut notamment être configuré pour réaliser un cycle de Rankine-Hirn, où le fluide thermodynamique est à l'état compressible à la température et la pression hautes du cycle, et à l'état liquide à la température et la pression basses du cycle. La configuration correspondante, représentée sur la figure 25, connecte, en ce qui concerne le fluide thermodynamique (2), dans son sens de circulation: un SSSC (3), un SSDS (6), un SSSF (4), dans lequel circule un fluide source froide (48), et un SSCS de type 2 (8). Le fluide thermodynamique (2) introduit à l'état liquide dans le SSSC (3) à pression élevée via une ou plusieurs pompes d'accroissement de pression du SSCS de type 2 (8), s'y vaporise, optionnellement avec surchauffe, se détend ensuite dans le SSDS (6), se condense ensuite dans le SSSF (4), à pression basse, et est ensuite comprimé à l'état liquide dans le SSCS de type 2 (8). Le ou les appareils de détente du SSDS (6) peuvent optionnellement comporter des sous tirages permettant de récupérer le fluide thermodynamique qui passe à l'état liquide au cours de la détente, et ces flux de fluide thermodynamique condensé, dont la température est supérieure à la température basse du cycle, peuvent être re-mélangés avec le fluide thermodynamique sortant du SSSF (4), les mélanges pouvant se faire en plusieurs zones, entre la sortie du SSSF (4) et l'entrée du SSSC (3). Il est aussi possible qu'au sein du SSDS, et/ou en provenance du SSSC, des sous tirages de vapeur soient effectués notamment pour réaliser des réchauffages de la vapeur en cours de détente. Optionnellement, via le SSSF (4), il peut y avoir rejet à l'extérieur d'une partie ou de la totalité du fluide thermodynamique et remplacement par du fluide thermodynamique provenant de l'extérieur, ou stocké dans le dispositif ou auprès de lui. Il est aussi possible de réaliser un cycle où le fluide thermodynamique passe de l'état liquide à l'état compressible au cours du cycle, et où, par rapport au cycle de Rankine û Hirn, la détente adiabatique est précédée d'une détente quasi isotherme, et cù la configuration correspondante, représentée sur la figure 26, connecte notamment un SSSC (3), un SSDC (5), un SSDS (6), un SSSF (4), dans lequel circule un fluide source froide (48), et un SSCS de type 2 (8). Le fluide thermodynamique (2) introduit à l'état liquide dans le SSSC (3), à pression élevée, s'y vaporise et surchauffe, se détend en présence d'un calocontacteur chaud (1C) dans le SSDC (5), en sortie duquel le calocontacteur chaud (1C) est séparé, se détend ensuite dans le SSDS (6), se condense dans le SSSF (4) à pression basse, et est ensuite comprimé à l'état liquide dans le SSCS de type 2 (8). Le calocontacteur chaud (1C) qui accompagne le fluide thermodynamique (2) dans sa détente quasi isotherme, effectue un cycle fermé, où il sort refroidi du SSDC (5) pour entrer dans le SSSC (3), d'où il sort réchauffé pour être introduit dans le SSDC (5). Le calocontacteur chaud (1C) est circulé par des pompes (31), optionnellement avec augmentation ou réduction de pression. Les appareils du SSDS (6) peuvent optionnellement comporter des sous û tirages permettant de récupérer le fluide thermodynamique qui passe à l'état liquide au cours de la détente, et ces flux de fluide thermodynamique condensé, dont la température est supérieure à la température basse du cycle, peuvent être re-mélangés avec le fluide thermodynamique sortant du SSSF (4), les mélanges pouvant se faire en plusieurs zones, entre la sortie du SSSF (4) et l'entrée du SSSC (3). Optionnellement, via le SSSF (4), il peut y avoir rejet à l'extérieur d'un partie ou de la totalité du fluide thermodynamique et remplacement par du fluide thermodynamique provenant de l'extérieur, ou stocké dans le dispositif ou auprès de lui. Le Dispositif peut aussi mettre en oeuvre plusieurs cycles thermodynamiques, pouvant utiliser certains mêmes calocontacteurs et/ou sous systèmes, notamment e SSSC, avec la mise en oeuvre de plusieurs fluides thermodynamiques, et notamment où: - un premier fluide thermodynamique, tel que de l'air, est impliqué dans les réactions générant la chaleur primaire au sein d'une chambre de réaction, et peut notamment réaliser un cycle de Ericsson, de Brayton ou un cycle compression adiabatique - échauffement régénératif - refroidissement régénératif - détente adiabatique, à bilan net nul de travail et de chaleur échangés avec l'extérieur; - le SSSC est commun aux différents cycles thermodynamiques, le calocontacteur présent dans la chambre de réaction peut être utilisé directement pour apporter de 1 a chaleur à un second fluide thermodynamique, notamment par mélange et échange thermique isobare et/ou lors d'une détente quasi isotherme, ou bien échanger de 1 a chaleur, par mise en mélange ou par échange thermique à travers une ou plusieurs parois, avec un second calocontacteur qui est mis ensuite en mélange avec le second fluide thermodynamique; - le second fluide thermodynamique peut notamment effectuer un cycle de Ericsson, ou un cycle de Brayton., ou un cycle de Rankine û Hirn, ou un cycle où par rapport au cycle de Rankine û Hirn la détente adiabatique est précédée d'une détente quasi isotherme; - optionnellement, la chambre de réaction peut aussi comporter un échangeur à parois parcouru par un troisième fluide thermodynamique ou part un calocontacteur qui cède ensuite de la chaleur à ce troisième fluide thermodynamique, qui peut effectuer les mêmes types de cycle que le second fluide thermodynamique. Ceci n'est pas limitatif de la nature et du nombre de fluides thermodynamiques et de cycles thermodynamiques que peut mettre en oeuvre le dispositif et procédé selon 10 l'invention, ni de ses configurations. La figure 27 illustre deux cycles thermodynamiques, celui effectué par l'air, et celui effectué par le fluide thermodynamique effectuant le cycle de Ericsson. L'air peut notamment effectuer un cycle à bilan énergétique quasi nul, comme décrit sur la figure 1 (pas de travail produit ni consommé, toute la chaleur dégagée par les 15 réactions utilisé par le second fluide thermodynamique effectuant le cycle de Ericsson) La configuration du circuit concernant l'air est alors notamment: aspiration de l'air frais extérieur (2-1), qui entre dans le SSCS (8-1) d'où il sort réchauffé et comprimé à 1.a pression régnant dans la chambre de réaction du SSSC , pour entrer dans la ligne d.e réchauffage d'un SSER (9-1) du circuit air puis dans la chambre de réaction du SSSC 20 (3) commun au deux circuits, d'où il sort à l'état d'air de combustion (azote et dioxyde de carbone...) pour entrer dans la ligne de refroidissement du SSER (9-1) du circuit air, d'ou il ressort pour effectuer une détente adiabatique dans un SSDS (6-1), d'où il ressort à une pression et une température proches des conditions atmosphériques. Des organes de propulsion (47) assurent la circulation de l'air. 25 Le SSSC est commun aux deux circuits. Les autres dispositions concernant le second circuit sont identiques à celles de la figure 22. Les axes de rotation des appareils d.e compression adiabatique et de détente adiabatique peuvent notamment être couplés. Un cas particulier est celui où ni le SSCS ni le SSDS ne produisent de variation significative de pression. Les appareils constituant le SSCS et le SSDS sont alors des 30 appareils de transfert de fluide à l'état gazeux (ventilateurs ou soufflantes), la chambre de réaction du SSSC fonctionne à pression atmosphérique, et le SSDS peut disparaître. L'air peut aussi effectuer d'autres cycles thermodynamiques, générateurs ou non de travail, notamment un cycle de Brayton ouvert sans recirculation, le SSER du circuit air étant alors supprimé. 35 L'air peut aussi effectuer un cycle sans compression ni détente ni réchauffage û refroidissement, où il est aspiré par un ventilateur ou soufflante, introduit dans la chambre de réaction et rejeté chaud. En complément et/ou variantes des configurations de mise en oeuvre du dispositif et procédé de l'invention, les dispositions suivantes peuvent être mises en 40 oeuvre: - les matériaux, massifs ou en revêtement, des composants du dispositif et procédé sont notamment choisis et élaborés pour être compatibles avec les matières avec lesquelles ils sont en contact et pour résister aux conditions de fonctionnement, notamment a corrosion par lesdites matières et les températures élevées; 45 - certains des composants peuvent être garnis, notamment à l'extérieur, d'un matériau isolant thermique afin d'éviter les échanges de chaleur avec l'extérieur, ainsi que des températures excessives à l'extérieur du circuit; - on peut aussi mettre en oeuvre des dispositions d'isolation thermique mutuelle entre différentes zones d'un même appareil ou entre différents appareils connexes; - certains composants peuvent être refroidis, afin de les maintenir dans une gamme cle température assurant leurs performances et/ou leur intégrité; - le refroidissement de certains composants peut optionnellement être effectué par du fluide thermodynamique et/ou du calocontacteur, qui se réchauffe lors de cette opération; - des zones fonctionnant à une pression désirée peuvent être délimitées au sein du dispositif par des pompes de réduction et d'augmentation de pression agissant sur un calocontacteur, ou un caloporteur; - les différents appareils agissant sur le débit et/ou la pression d'un fluide ou d'un mélange de fluides peuvent optionnellement avoir une vitesse variable, et/ou être munis de dispositifs de freinage et/ou empêchant la rotation en sens inverse, et/ou les axes de rotation de plusieurs de ces appareils peuvent faire l'objet d'un couplage fixe c,u débrayable, dans un rapport de couplage fixe ou variable; - des cycles thermodynamiques, comprenant au moins une étape de détente à température initiale élevée et produisant de l'énergie mécanique et au moins une étape de compression à température initiale basse, et/ou des configurations, différents de ceux qui ont été décrits plus haut, peuvent être mis en oeuvre par le dispositif et procédé, selon les principes de base de l'invention présentés plus haut; - les configurations des sous systèmes caractéristiques du dispositif et procédé de 20 l'invention et/ou leurs agencements présentés plus haut peuvent présenter des variantes notamment par: * la réalisation de configurations, mettant notamment en oeuvre plusieurs cycles thermodynamiques, selon les principes de l'invention et, pouvant être différentes de celles explicitement décrites plus haut, en constituant d'autres agencements à partir des 25 sous systèmes SSSC, SSSF, SSER, SSDC, SSDS, SSCC, SSCS, tels que présentés plus haut, * le fait que des étapes d'un cycle thermodynamique et/ou des opérations effectuées par ou sur un fluide thermodynamique et/ou un calocontacteur présentées plus haut comme réalisées dans un sous système donné peuvent optionnellement être réalisées dans un 30 sous système qui lui est connecté, * le fait que les valeurs des paramètres thermodynamiques, notamment les pressions et les températures, puissent être légèrement différentes de celles décrites plus haut, notamment du fait des pertes de charge, des rendements des ;appareils de détente et/ou de compression, et des pertes énergétiques, 35 * la mise en parallèle et/ou en série, au sein des configurations du dispositif et procédé explicitement présentées plus haut, de sous systèmes semblables, parmi les sous systèmes présentés plus haut, * la mise en parallèle et/ou en série au sein du même sous système parmi les sept sous systèmes cités ci-dessus, d'appareils, composants ou fonctions constitutifs du sous 40 système, * la mise en oeuvre optionnelle dans le SSSF de dispositions et d'appareils permettant de récupérer éventuellement l'énergie cinétique résiduelle d'un fluide thermodynamique lorsque celui ù ci est rejeté à l'extérieur, afin notamment de la transférer à l'air prélevé à l'extérieur pour en remplacer la quantité rejetée, 45 * la réalisation par un calocontacteur d'une ou plusieurs fonctions complémentaires, par exemple un traitement physico ù chimique du fluide thermodynamique, * l'intégration d'appareils, fonctions ou sous ù systèmes au sein d'un même composant ou sous ù systèmes, * l'insertion d'appareils, fonctions et/ou sous systèmes complémentaires, et non cites dans la description des sept sous systèmes cités ci-dessus, ni dans les configurations explicitement présentées plus haut, et/ou: o des apports de chaleur complémentaires, ° des circuits de thermolyse et/ou gazéification de réactifs CHON, o des circuits et/ou dispositions pour le démarrage à froid et mise à l'arrêt, et notamment pour: - réchauffer les circuits où des calocontacteurs se seraient solidifiés, ou avant leur introduction, -mettre en rotation initiale les appareils notamment de compression et/ou détente, - amener une chambre de réaction aux températures de déclenchement des réactions, et les déclencher, - vidanger des calocontacteurs, ou des caloporteurs, pour qu'ils se conservent et/ou se solidifient dans des conditions convenables, *des dispositions pour réguler les quantités et niveaux de calocontacteur dans les différents appareils et zones où s'effectuent notamment des phases 1, 2, 3 ou 4, notamment en ajustant les débits des appareils de transfert de calocontacteur, * des mélanges de fluides thermodynamiques de même nature et l'utilisation commune de certains appareils ou sous systèmes, * des sous ù tirages et mélanges de calocontacteur et/ou de fluide thermodynamique, au sein d'un même sous système, * des circulations de calocontacteur et/ou de fluide thermodynamique d'un sous système à un autre et non décrits précédemment, * l'existence de composants, appareils ou sous systèmes effectuant des opérations non directement liées aux caractéristiques spécifiques à l'invention, tels que associés à des dispositions concernant la sûreté, la sécurité, la surveillance ou la maintenance, * la mise en commun d'une fonction, d'un sous système ou d'un fluide, telle que celle du SSSC, et d'un calocontacteur chaud alimentant plusieurs cycles thermodynamiques, * le basculement d'une fonction ou d'une opération d'un sous système ou d'un cirait sur un autre, * le couplage, fixe, débrayable ou ajustable, des axes de rotation entre des appareils notamment de détente, de transfert de fluides, avec ou sans accroissement ou réduction de pression, * la mise en oeuvre d'un cycle pouvant différer du cycle de Brayton tel que présenté plus haut, tel que, mais non exclusivement : ° lorsque les cycle est un cycle détente adiabatique ù refroidissement ù compression adiabatique ù échauffement, où l'échauffement et/ou le refroidissement, peuvent ne pas être isobares, par exemple si l'appareil ou les appareils de compression et/ou détente sont de type alternatif, tel que à piston, ° ou bien optionnellement, lorsqu'un second fluide thermodynamique initialement liquide, tel que de l'eau, peut être introduit et mélangé avec 1,e fluide thermodynamique lors de l'étape de réchauffement, de façon continue ou discontinue, et le mélange effectue ensuite la détente quasi adiabatique, une telle introduction, lorsque intermittente, pouvant par exemple être utilisée pour favoriser un accroissement de régime et/ou de pression haute du dispositif et procédé, * la mise en oeuvre de cycles combinés, notamment récupérant de la chaleur d'un cycle thermodynamique pour la transférer à un autre cycle thermodynamique, * la cogénération, en pouvant utiliser en parallèle, pour (l'autres utilisations que la production d'énergie mécanique, la chaleur disponible dans le dispositif et/ou au niveau de la source de chaleur primaire et/ou au niveau des rejets de chaleur vers l'extérieur; - une même application donnée du dispositif et procédé peut faire l'objet de reconfigurations ou de variations de modes de fonctionnement telles que, et de façon non limitative: * la combinaison ou l'alternance de modes de maîtrise des réactions dans une chambre de réaction traversée par un fluide thermodynamique, notamment s'il contient de l'oxygène prélevé dans ou avec de l'air extérieur et que cet oxygène intervient dans les réactions générant la chaleur primaire dans la chambre de réaction, et où cette maîtrise et contrôle peuvent s'effectuer alternativement par l'inerte thermique apportée par un calocontacteur dans la chambre, c'est à dire par la mise en oeuvre d'une phase 4, et alternativement par la limitation de la quantité d'oxygène introduite dans la chambre, en agissant sur le taux de recirculation du fluide thermodynamique au niveau du SSSF, * le basculement au niveau du SSSF d'un fluide source froide, tel que de l'eau, sur un autre fluide source froide, tel que de l'air, * le basculement d'une source de chaleur primaire à une autre au sein d'un SSSC; - le dispositif et procédé peut fonctionner à différents niveaux de puissance, et accomplir des variations de régime, et ceci peut notamment être mis en oeuvre: * en modifiant le nombre de cycles réalisés par unité de temps, c'est à dire généralement en modifiant la vitesse de rotation des appareils agissant sur le débit d'un fluide thermodynamique, et/ou en modifiant la masse de fluide thermodynamique effectuant un cycle, et/ou en modifiant les paramètres caractérisant quantitativement le cycle thermodynamique, notamment les pressions et températures aux bornes (lu diagramme du cycle, optionnellement en introduisant de façon discontinue un autre fluide thermodynamique, * tout en ajustant la quantité de chaleur primaire reçue par un fluide thermodynamique, afin d'assurer le fonctionnement du dispositif au niveau de puissance mécanique demandé; -dans certains cas, en variante par rapport aux propriétés d'un calocontacteur présentées plus haut, une partie d'un calocontacteur liquide peut se vaporiser, mais pratiquement sans participer à la génération d'énergie mécanique dans le cycle thermodynamique (par exemple un calocontacteur froid qui se vaporise partiellement lors d'une phase 3 dans un SSSF); - le dispositif et procédé peut optionnellement être mis en oeuvre en réutilisant et/ou en reconfigurant des composants, sous systèmes ou systèmes de l'état des techniques et déjà mis en oeuvre dans des systèmes existants de production, et optionnellement transformation, d'énergie mécanique. The device can also be configured in particular for a single thermodynamic fluid to perform a Brayton cycle, where the thermodynamic fluid is always in the compressible state. The corresponding configuration shown in FIG. 24 connects, as regards the thermodynamic fluid and in its direction of circulation, a SSSC (3), an SSDS (6), a SSSF (4) and a SSCS type 1 (8). ). When this fluid contains oxygen taken from or with outside air, and this oxygen is involved in the primary heat-generating reactions, some or all of the thermodynamic fluid is released externally via the SSSF (4), optionally after yielding heat in a wall exchanger to a second thermodynamic fluid in order to perform a combined cycle, and wherein, in the case where the low cycle pressure is greater than the atmospheric pressure, the rejected thermodynamic fluid is relieved from the low pressure of the cycle to atmospheric pressure with or without mixing with a calocontactor, and the air and / or the oxygen taken from the outside is compressed from the atmospheric pressure to the low pressure of the cycle, with or without mixing with a calocontactor. Optionally, the SSSE (4) is reduced to evacuation to the outside of the entire air and the introduction of fresh air collected outside. It is also optionally possible to introduce in the liquid state a second thermodynamic fluid, for example water, into the reaction chamber of the SSSC (3), and which vaporizes therein. The thermodynamic fluid can optionally perform a regenerative Brayton cycle, where the thermodynamic fluid exiting the SSDS (6) then enters a SSER cooling line, exits to enter the SSSF (4), and upon its exit from the SSCS ( 8), enters the SSER reheat line, before entering the SSSC (3). The device can in particular be configured to perform a Rankine-Hirn cycle, in which the thermodynamic fluid is in the compressible state at the high temperature and pressure of the cycle, and in the liquid state at the low temperature and pressure of the cycle. . The corresponding configuration, shown in FIG. 25, connects, as regards the thermodynamic fluid (2), in its direction of circulation: a SSSC (3), an SSDS (6), a SSSF (4), in which circulates a cold source fluid (48), and a type 2 SSCS (8). The thermodynamic fluid (2) introduced in the liquid state into the SSSC (3) at high pressure via one or more SSCS pressure increase pumps type 2 (8), vaporizes therein, optionally with overheating, then relaxes in the SSDS (6), then condenses in the SSSF (4), at low pressure, and is then compressed in the liquid state in the SSCS type 2 (8). The expansion device (s) of the SSDS (6) may optionally include sub-prints for recovering the thermodynamic fluid which passes to the liquid state during the expansion, and these condensed thermodynamic fluid flows, the temperature of which is greater than the low temperature of the cycle, can be re-mixed with the thermodynamic fluid leaving the SSSF (4), the mixtures being able to be made in several zones, between the output of the SSSF (4) and the input of the SSSC (3). It is also possible that, within the SSDS, and / or from the SSSC, sub-draws of steam are carried out in particular to carry out reheating of the steam during relaxation. Optionally, via the SSSF (4), there may be rejection outside part or all of the thermodynamic fluid and replacement with thermodynamic fluid from outside, or stored in the device or from him . It is also possible to carry out a cycle in which the thermodynamic fluid passes from the liquid state to the compressible state during the cycle, and where, with respect to the Rankine-Hirn cycle, the adiabatic expansion is preceded by a relaxation almost isothermal, and wherein the corresponding configuration, shown in FIG. 26, connects in particular a SSSC (3), an SSDC (5), an SSDS (6), a SSSF (4), in which a cold source fluid circulates (48) , and a type 2 SSCS (8). The thermodynamic fluid (2) introduced in the liquid state into the SSSC (3), at high pressure, vaporizes and overheats, expands in the presence of a hot calocontactor (1C) in the SSDC (5), in out of which the hot calocontactor (1C) is separated, then relaxes in the SSDS (6), condenses in the SSSF (4) at low pressure, and is then compressed in the liquid state in the SSCS type 2 (8). ). The hot calocontactor (1C) which accompanies the thermodynamic fluid (2) in its almost isothermal expansion, carries out a closed cycle, where it leaves cooled of the SSDC (5) to enter the SSSC (3), from where it leaves reheated for to be introduced in the SSDC (5). The hot calocontactor (1C) is circulated by pumps (31), optionally with increase or reduction of pressure. The apparatuses of the SSDS (6) may optionally include sub-prints to recover the thermodynamic fluid which passes to the liquid state during the expansion, and these flows of condensed thermodynamic fluid, whose temperature is higher than the low temperature of the cycle, can be re-mixed with the thermodynamic fluid leaving the SSSF (4), the mixtures being able to be made in several zones, between the output of the SSSF (4) and the input of the SSSC (3). Optionally, via the SSSF (4), there may be rejection outside part or all of the thermodynamic fluid and replacement with thermodynamic fluid from outside, or stored in the device or with him . The device can also implement several thermodynamic cycles, which can use certain same calocontactors and / or subsystems, in particular SSSC, with the use of several thermodynamic fluids, and in particular where: a first thermodynamic fluid, such as air, is involved in the reactions generating the primary heat within a reaction chamber, and can notably perform a cycle of Ericsson, Brayton or an adiabatic compression cycle - regenerative heating - regenerative cooling - adiabatic expansion, net balance no work and heat exchanged with the outside; the SSSC is common to the various thermodynamic cycles, the calocontactor present in the reaction chamber can be used directly to provide heat to a second thermodynamic fluid, in particular by mixing and isobaric heat exchange and / or during a relaxation almost isotherm, or heat exchanging, by mixing or heat exchange through one or more walls, with a second calocontactor which is then mixed with the second thermodynamic fluid; the second thermodynamic fluid can in particular carry out an Ericsson cycle, or a Brayton cycle, or a Rankine-Hirn cycle, or a cycle where, with respect to the Rankine-Hirn cycle, the adiabatic expansion is preceded by a quasi-relaxation isothermal; - Optionally, the reaction chamber may also comprise a wall exchanger traversed by a third thermodynamic fluid or part of a calocontactor which then gives heat to the third thermodynamic fluid, which can perform the same types of cycle as the second thermodynamic fluid. This is not limiting the nature and the number of thermodynamic fluids and thermodynamic cycles that can implement the device and method according to the invention, nor its configurations. Figure 27 illustrates two thermodynamic cycles, the one performed by air, and the one performed by the thermodynamic fluid performing the Ericsson cycle. The air can in particular perform a cycle with almost zero energy balance, as described in FIG. 1 (no work produced or consumed, all the heat generated by the reactions used by the second thermodynamic fluid performing the Ericsson cycle). the air circuit is then in particular: suction of the outside fresh air (2-1), which enters the SSCS (8-1) from which it comes warmed up and compressed at 1.a pressure prevailing in the chamber reaction of the SSSC, to enter the reheating line of a SSER (9-1) of the air circuit and then into the reaction chamber of the SSSC 20 (3) common to the two circuits, from which it comes out in the state of combustion air (nitrogen and carbon dioxide ...) to enter the cooling line of the SSER (9-1) of the air circuit, from which it emerges to perform adiabatic expansion in an SSDS (6-1 ), from where it appears at a pressure and a temperature close to the atmospheric conditions. Propulsion members (47) provide air circulation. The SSSC is common to both circuits. The other provisions relating to the second circuit are identical to those of FIG. 22. The axes of rotation of the adiabatic compression and adiabatic expansion devices can in particular be coupled. A special case is where neither the SSCS nor the SSDS produce a significant variation in pressure. The devices constituting the SSCS and the SSDS are then gaseous fluid transfer devices (fans or blowers), the SSSC reaction chamber operates at atmospheric pressure, and the SSDS may disappear. The air can also perform other thermodynamic cycles, generating or not working, including an open Brayton cycle without recirculation, the SSER of the air circuit is then deleted. The air may also cycle without compression or expansion or reheat, where it is drawn in by a fan or blower, introduced into the reaction chamber, and discharged hot. In addition to and / or variants of the configurations for implementing the device and method of the invention, the following provisions can be implemented: the materials, solid or in coating, of the components of the device and method are chosen in particular and developed to be compatible with the materials with which they are in contact and to withstand operating conditions, including corrosion by said materials and high temperatures; 45 - some of the components may be lined, especially outside, with a thermal insulating material to prevent heat exchanges with the outside, as well as excessive temperatures outside the circuit; it is also possible to implement mutual thermal insulation arrangements between different zones of the same apparatus or between different related apparatuses; - Some components can be cooled, to maintain them in a range of temperature ensuring their performance and / or integrity; the cooling of certain components may optionally be carried out by thermodynamic fluid and / or calocontactor, which is heated during this operation; - Zones operating at a desired pressure can be defined within the device by reducing and increasing pressure pumps acting on a calocontactor, or a coolant; the different devices acting on the flow rate and / or the pressure of a fluid or a mixture of fluids may optionally have a variable speed, and / or be equipped with braking devices and / or preventing rotation in the opposite direction, and / or the axes of rotation of several of these devices can be the subject of a fixed coupling c, disengageable, in a fixed or variable coupling ratio; thermodynamic cycles, comprising at least one step of expansion at high initial temperature and producing mechanical energy and at least one compression step at low initial temperature, and / or configurations, different from those described above. can be implemented by the device and method, according to the basic principles of the invention presented above; the configurations of the sub-systems characteristic of the device and method of the invention and / or their arrangements presented above may have variants, in particular by: the embodiment of configurations, notably implementing several thermodynamic cycles, according to the principles of the invention; and may be different from those explicitly described above by constituting further arrangements from the SSSC, SSSF, SSER, SSDC, SSDS, SSCC, SSCS subsystems, as discussed above, * the fact that steps of a thermodynamic cycle and / or operations performed by or on a thermodynamic fluid and / or a calocontactor presented above as performed in a given subsystem may optionally be performed in a subsystem connected thereto, thermodynamic parameters, such as pressures and temperatures, may be slightly different of those described above, in particular due to pressure losses, efficiency of expansion and / or compression devices, and energy losses, parallel and / or in series, within the configurations of device and method explicitly presented above, of similar subsystems, among the subsystems presented above, * the parallel and / or series in the same subsystem among the seven subsystems mentioned above, of devices components or functions constituting the sub system, * the optional implementation in the SSSF of provisions and apparatuses for optionally recovering the residual kinetic energy of a thermodynamic fluid when the latter is rejected externally, in particular to transfer it to the air taken outside to replace the quantity rejected, 45 * the realization by a calocontactor of one or more functions complementary s, for example a physico-chemical treatment of the thermodynamic fluid, * the integration of devices, functions or sub-systems within the same component or under systems, * the insertion of apparatus, functions and / or under complementary systems, and not mentioned in the description of the seven sub-systems mentioned above, or in the configurations explicitly presented above, and / or: o complementary heat inputs, ° circuits for thermolysis and / or gasification of reagents CHON, o circuits and / or arrangements for cold start and shutdown, and in particular for: - reheating the circuits where calocontactors have solidified, or before their introduction, - initial rotation of the devices including compression and / or expansion, - bring a reaction chamber to the trigger temperatures of the reactions, and trigger them, - drain calocontactors, or coolants, so that they can be stored and / or solidify under suitable conditions, * arrangements to regulate the quantities and levels of heat-shock in the various apparatuses and zones in which phases 1, 2, 3 or 4 are carried out, in particular by adjusting the flow rates of transfer of calocontactor, * mixtures of thermodynamic fluids of the same nature and the common use of certain apparatus or sub-systems, * sub-prints and mixtures of calocontactor and / or thermodynamic fluid, within the same subsystem, * circulation of calocontactor and / or thermodynamic fluid from one subsystem to another and not previously described, * the existence of components, devices or sub-systems performing operations not directly related to the characteristics specific to the invention, such as associated with provisions relating to safety, security, surveillance or maintenance, * the pooling of a function, a subsystem or a fluid, such as that of the SSSC, and a hot calocontactor feeding several thermodynamic cycles, * the switching of a function or operation of a subsystem or a wax on another, * coupling, fixed, disengageable or adjustable, axes of rotation between devices including expansion, fluid transfer, with or without pressure increase or reduction, * the implementation of a cycle may differ from the Brayton cycle as presented above, such as, but not exclusively: ° when the cycle is an adiabatic expansion cycle, cooling to adiabatic compression, heating, where heating and / or cooling, may not be isobaric, for example if apparatus or apparatuses of compression and / or expansion are of reciprocating type, such as piston, or optionally, when a second thermodynamic fluid initially liquid, such as water, can be introduced and mixed with With the thermodynamic fluid during the heating step, continuously or discontinuously, and the mixture then performs the almost adiabatic expansion, such an introduction, when intermittent, may for example be used to promote an increase in speed and / or or high pressure of the device and method, * the implementation of combined cycles, including recovering heat from a thermodynamic cycle to transfer it to another thermodynamic cycle, * cogeneration, being able to use in parallel, for (1) other uses than the production of mechanical energy, the heat available in the device and / or at the level of the primary heat source and / or at the level of the heat discharges to the outside; the same given application of the device and method can be the subject of reconfigurations or variations of operating modes such that, and not limited to: the combination or alternation of reaction control modes in a reaction chamber traversed by a thermodynamic fluid, especially if it contains oxygen taken from or with outside air and that this oxygen is involved in the reactions generating the primary heat in the reaction chamber, and where this control and control can alternatively perform the thermal inert provided by a calocontactor in the chamber, that is to say by the implementation of a phase 4, and alternatively by limiting the amount of oxygen introduced into the chamber, by acting on the rate of recirculation of the thermodynamic fluid at the level of the SSSF, * the change at the level of the SSSF of a cold source fluid, such as water, on another fluid source fr oide, such as air, * switching from one primary heat source to another within a SSSC; the device and method can operate at different power levels, and achieve regime variations, and this can in particular be implemented: by modifying the number of cycles carried out per unit of time, that is to say generally by modifying the rotational speed of the devices acting on the flow rate of a thermodynamic fluid, and / or by modifying the mass of thermodynamic fluid performing a cycle, and / or by modifying the parameters characterizing quantitatively the thermodynamic cycle, in particular the pressures and temperatures at the terminals (Di cycle diagram, optionally by introducing discontinuously another thermodynamic fluid, * while adjusting the amount of primary heat received by a thermodynamic fluid, to ensure the operation of the device at the mechanical power level requested; -in some case, as a variant with respect to the properties of a calocontactor presented above, a part of a ca liquid locontactor can vaporize, but practically without participating in the generation of mechanical energy in the thermodynamic cycle (for example a cold calocontactor which vaporizes partially during a phase 3 in a SSSF); the device and method can optionally be implemented by reusing and / or reconfiguring components, subsystems or systems of the state of the art and already implemented in existing production systems, and optionally transforming, energy mechanical.
Les principes qualitatifs et quantitatifs selon l'invention de réalisation d'une détente, respectivement compression, quasi isotherme d'un fluide compressible, où celui-ci est mis en mélange avec un calocontacteur au cours de la transformation thermodynamique qui ont été présentés plus haut, concernant la mise en oeuvre d'une détente, respectivement compression, quasi isotherme, et de phases 1, 2, ou 3, selon l'invention, peuvent être aussi utilisés notamment: - pour constituer un système recevant de l'énergie mécanique, tel que système de réfrigération ou pompe à chaleur, notamment dans les conditions suivantes: * le dispositif et procédé peut mette en oeuvre un cycle thermodynamique inverse de Ericsson, ou de Carnot, ou de Rankine û Hirn, ou de Brayton, ou un cycle similaire à un cycle inverse de Brayton, mais où l'échauffement et/ou le refroidissement peuvent ne pas être isobares, * le dispositif et procédé peut constituer un système de réfrigération et mettre en oeuvre un cycle thermodynamique utilisant l'air comme fluide thermodynamique et un calocontacteur liquide, par exemple de l'eau, où: o l'air, initialement à la température haute et à la pression basse de son cycle, qui est notamment la pression atmosphérique, effectue une compression quasi isotherme en étant mis en mélange avec le calocontacteur liquide, selon les dispositions de l'invention concernant la réalisation de phases 2, optionnellement 3, décrites plus haut, puis est séparé du calocontacteur à l'issue de la compression quasi isotherme, o l'air effectue ensuite une détente adiabatique, à l'issue de laquelle il atteint [a température et la pression basses du cycle, et est rendu disponible pour le refroidissement des zones et/ou composants à réfrigérer, et lui même se réchauffe, à la pression basse du cycle, ° il est ensuite partiellement ou totalement rejeté à l'extérieur ou recirculé dans le cycle thermodynamique, une partie ou la totalité de l'air pouvant être prélevée à l'extérieur, pour effectuer la compression quasi isotherme et les autres étapes du cycle, ° le calocontacteur sortant réchauffé à l'issue de l'étape de compression quasi isotherme, peut: - soit être refroidi par contact direct avec de l'air extérieur, ou par tout autre moyen de refroidissement, et être recirculé pour accompagner l'air effectuant l'étape cle compression quasi isotherme, - soit, notamment dans le cas où le calocontacteur est de l'eau, être relâché à l'extérieur ou dans un circuit ou volume connexe au dispositif et procédé, du nouveau calocontacteur à température basse étant prélevé à l'extérieur pour accompagner l'air dans son étape de compression quasi isotherme; - ou pour réaliser une fonction de stockage et restitution de l'énergie mécanique, notamment dans les conditions suivantes: *le fluide thermodynamique est de l'air qui effectue un cycle à bilan énergétique net nul, où: o l'air, initialement à la pression basse de son cycle, effectue une compression quasi isotherme où il reçoit, pour la stocker, de l'énergie mécanique, en étant mis en mélange avec un calocontacteur liquide selon les dispositions de ]l'invention concernant la réalisation de phases 2, optionnellement 3, ° l'air comprimé peut ensuite être stocké dans un ou des réservoirs sous pression, optionnellement transféré dans d'autres réservoirs, et maintenu par exemple à température ambiante, o l'air effectue ensuite, en différé des étapes précédentes, une détente quasi isotherme, où il fournit de l'énergie mécanique, restituant celle qu'il a précédemment reçue, en étant mis en mélange avec un calocontacteur liquide, selon les dispositions de l'invention concernant la réalisation de phases 1, optionnellement 3, à l'issue de laquelle il est rejeté à l'extérieur; * le cycle thermodynamique peut être mis en oeuvre par un seul et même dispositif, notamment fixe, réalisant une fonction intégrée de stockage û restitution de l'énergie mécanique, et le calocontacteur peut être: o soit dans un circuit fermé de préférence thermiquement isolé de l'extérieur, notamment avec deux capacités, l'une plus froide, où est prélevé le calocontacteur pour accompagner la compression quasi isotherme et où est rejeté le calocontacteur ayant la détente quasi isotherme, et l'autre plus chaude, où est prélevé le calocontacteur pour accompagner la détente quasi isotherme et où est rejeté le calocontacteur ayant accompagné la compression quasi isotherme, ° soit dans un circuit ouvert ou partiellement ouvert vis à vis de l'extérieur, * le cycle thermodynamique peut aussi être mis en oeuvre par deux dispositifs disjoints, l'un réalisant la compression quasi isotherme, l'autre réalisant la détente quasi isotherme, ce dernier pouvant notamment être un dispositif mobile emportant avec lui l'air comprimé stocké, * le calocontacteur utilisé est notamment un liquide à température de fusion suffisamment basse pour ne pas se solidifier au cours de la détente, et qui, sortant refroidi à l'issue de la détente quasi isotherme, peut être réchauffé par contact direct avec l'air extérieur, ou par tout autre moyen de réchauffage * optionnellement les appareils réalisant la compression quasi isotherme peuvent être les mêmes que ceux réalisant la détente quasi isotherme, en les adaptant et configurant de manière convenable à cette fin; - ou pour d'autres mises en oeuvre et applications d'une détente et/ou compression quasi isotherme d'un fluide compressible. The qualitative and quantitative principles according to the invention for producing a relaxation, respectively compression, quasi isothermal of a compressible fluid, where it is mixed with a calocontactor during the thermodynamic transformation which have been presented above. , concerning the implementation of an expansion, respectively compression, quasi-isothermal, and phases 1, 2, or 3, according to the invention, can also be used in particular: - to constitute a system receiving mechanical energy, such as a refrigeration system or heat pump, in particular under the following conditions: * the device and process can implement a reverse thermodynamic cycle of Ericsson, or Carnot, or Rankine-Hirn, or Brayton, or a similar cycle to a reverse cycle of Brayton, but where the heating and / or cooling may not be isobaric, * the device and process may constitute a refrigeration system and to implement a thermodynamic cycle using air as a thermodynamic fluid and a liquid calocontactor, for example water, where: o air, initially at the high temperature and at the low pressure of its cycle, which is particularly the atmospheric pressure, performs an almost isothermal compression by being mixed with the liquid calocontactor, according to the provisions of the invention concerning the realization of phases 2, optionally 3, described above, then is separated from the calocontactor at the end of the almost isothermal compression, where the air then performs an adiabatic expansion, after which it reaches the low temperature and the low pressure of the cycle, and is made available for the cooling of the zones and / or components to be refrigerated, and even warms, at the low pressure of the cycle, ° it is then partially or totally rejected outside or recirculated in the thermodynamic cycle, some or all externally withdrawable air, for effecting the quasi-isothermal compression and the other stages of the cycle, the outgoing calocontactor reheated at the end of the quasi-isothermal compression stage, may: - either be cooled by direct contact with outside air, or by any other means of cooling, and be recirculated to accompany the air performing the almost isothermal compression step, - or, in particular in the case where the calocontactor is water, being released externally or in a circuit or volume related to the device and method, the new low-temperature calocontactor being taken externally to accompany the air in its quasi-isothermal compression step; or to perform a function of storage and restitution of the mechanical energy, in particular under the following conditions: the thermodynamic fluid is air which carries out a zero net energy balance cycle, where: the air, initially at the low pressure of its cycle, performs an almost isothermal compression where it receives, to store it, mechanical energy, being put in mixture with a liquid calocontactor according to the provisions of] the invention concerning the realization of phases 2, optionally 3, the compressed air can then be stored in one or more pressure tanks, optionally transferred to other tanks, and maintained for example at room temperature, where the air then carries out, apart from the preceding steps, a isothermal expansion, where it provides mechanical energy, restoring the previously received, being mixed with a liquid calocontactor, according to the provisions of the invention concerning the realization of phases 1, optionally 3, after which it is rejected externally; the thermodynamic cycle can be implemented by one and the same device, in particular fixed, performing an integrated storage function for the return of mechanical energy, and the calocontactor can be: either in a closed circuit preferably thermally isolated from outside, especially with two capacities, the colder one, where the calocontactor is taken to accompany the quasi-isothermal compression and where is rejected the calocontactor having the almost isothermal relaxation, and the other warmer, where is taken the calocontactor to accompany the almost isothermal expansion and where the calocontactor which accompanied the quasi-isothermal compression is rejected, either in an open circuit or partially open to the outside, the thermodynamic cycle can also be implemented by two disjoint devices , one performing quasi-isothermal compression, the other performing the almost isothermal expansion, the latter being able to nt be a mobile device carrying with it the stored compressed air, * the calocontactor used is in particular a liquid with melting temperature low enough not to solidify during the relaxation, and which, leaving cooled after the almost isothermal expansion, can be heated by direct contact with the outside air, or by any other means of heating * optionally the devices performing the quasi-isothermal compression can be the same as those performing the almost isothermal expansion, adapting and configuring them a suitable way for this purpose; or for other implementations and applications of a relaxation and / or quasi-isothermal compression of a compressible fluid.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE MISE EN OEUVRE DU DISPOSYI`F ET PROCEDE SELON 20 L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE METHODS OF IMPLEMENTING THE DEVICE AND METHOD ACCORDING TO THE INVENTION
Nous présentons ci-dessous des exemples d'applications, où le dispositif et procédé met en oeuvre: - un cycle thermodynamique de Ericsson, et optionnellement un autre cycle, 25 - un ou deux cycles thermodynamiques de Brayt:on, ou une configuration intermédiaire, utilisant l'air comme fluide thermodynamique. Examples of applications are presented below, in which the device and method uses: a thermodynamic cycle of Ericsson, and optionally another cycle, one or two thermodynamic cycles of Brayt: on, or an intermediate configuration, using air as a thermodynamic fluid.
Les exemples d'applications où le Dispositif met en oeuvre tin cycle de Ericsson sont notamment les quatre suivants. 30 Exemple 1. Le dispositif peut être entre autres configuré dans l'application suivante, où le dispositif met en oeuvre un cycle thermodynamique de Ericsson, où le fluide thermodynamique et le calocontacteur sont totalement isolés de l'extérieur, par des parois étanches, ce qui permet d'utiliser une large gamme de fluides thermodynamiques et de calocontacteurs. La configuration est celle de la figure 22. Le 35 fluide thermodynamique est un gaz rare ou un mélange de gaz. rares, tel que de l'hélium et/ou de l'argon. Les calocontacteurs chaud, intermédiaires et froid sont un métal ou un alliage de métaux à bas point de fusion, tel que un métal ou alliage alcalin à l'état liquide, notamment du sodium ou un mélange sodium û potassium. Le SSER est configuré selon la figure 21 et met en oeuvre dans tous ses modules le mélange et 40 l'échange thermique à contre courant entre le fluide thermodynamique et un calocontacteur intermédiaire, et comporte plusieurs modules, ou bien un seul et n'utilise dans ce cas qu'un seul calocontacteur intermédiaire, tel que le mélange alcalin potassium (78%)/sodium (22%), où les pourcentages concernent la masse des éléments. Le SSSF est notamment dans la configuration de la figure 13 ou 14 et met en oeuvre le 45 mélange et l'échange thermique à contre courant entre le fluide thermodynamique et un calocontacteur froid, qui cède de la chaleur à un ou plusieurs fluides source froide dans des échangeurs à parois, optionnellement via un ou plusieurs caloporteurs intermédiaires et des échangeurs à parois, tel qu'illustré sur la figure 14, et le calocontacteur froid peut être aussi un mélange alcalin tel que potassium (78%)/sodiurn (22%), et le fluide source froide est notamment l'eau d'une rivière ou d'une étendue d'eau ou l'air atmosphérique. Les appareils de détente du SSDC et de compression du SSCC sont de type rotatif, dynamique ou volumétrique, adaptés conformément aux principes présentés plus haut. Les axes de rotation des machines du SSDC et du SSCC peuvent notamment être couplés, optionnellement par un couplage à rapport *stable et/ou débrayable. La chaleur primaire est transmise au calocontacteur chaud à travers les parois d'un ou plusieurs échangeurs à parois dans le SSSC, où la nature et/ou les modes de génération de la chaleur primaire peuvent notamment être les suivants: - le milieu siège des réactions générant la chaleur primaire, qui peuvent être de nature variée, peut être notamment un matériau dont les molécules, atomes ou leurs sous constituants sont à l'origine de cette génération, transférant la chaleur, notamment par conduction et/ou convection, au calocontacteur chaud circulant le long des parois le séparant dudit milieu siège de la génération de la chaleur primaire, ledit milieu pouvant notamment être à l'état solide, liquide ou gazeux, ou partiellement à l'état liquide et/ou solide et/ou gazeux, et les matières à l'origine des réactions et/ou les produits ou résidus en résultant, peuvent être introduits ou renouvelés et/ou évacués de façon continue ou discontinue, - ou bien la chaleur primaire peut provenir du rayonnement solaire, par exemple 20 concentré, par des systèmes de miroirs vers les parois d'une zone réceptrice à l'intérieur de laquelle circule le calocontacteur chaud, - ou bien la chaleur primaire peut aussi être générée dans une chambre de réaction par la combustion de matériaux CHON, par exemple du charbon, avec l'oxygène de l'air, qui est notamment entièrement consommé par les réactions de: combustion, et: 25 * il peut s'agir d'une combustion notamment à pression atmosphérique en lit (Je combustible solide fragmenté, la chaleur se transmettant à la surface des parois .Je l'autre côté desquelles circule le calocontacteur chaud, notamment par conduction à travers le matériau fragmenté, par exemple du charbon compte tenu de sa conductivité thermique élevée, 30 * il peut aussi s'agir d'une combustion dans une chambre de combustion à lit fluidisé, ou rotatif, tel que à vortex, les parois des échangeurs placés dans la chambre de combustion étant parcourus à l'intérieur par le calocontacteur chaud, * la chambre de réaction peut être pressurisée et l'air atmosphérique peut notamment réaliser un cycle à bilan net nul de travail et de chaleur échangés avec l'extérieur 35 constitué d'une compression adiabatique, puis d'un échauffement régénératif, puis entrer dans la chambre de réaction puis en sortir, ensuite un refroidissement régénératif, puis une détente adiabatique, et le circuit air comporte un SSCS, un SSER et un SSDS, et traverse le SSSC, * ou bien un cycle de Brayton ouvert, et le circuit air comprend un SSCS, le SSSC et 40 un SSDS, * la chambre de réaction peut aussi fonctionner à pression atmosphérique, au quel cas le SSCS est remplacé par un appareil de transfert de fluides à l'état gazeux, et le SSDS peut disparaître, * le SSSC et/ou d'autres sous systèmes du circuit air peuvent comporter des appareils 45 effectuant des traitements physico û chimiques, tels que des opérations de DeSOx, DeNOx, capture du dioxyde de carbone, filtrage des poussières et fumées, avant rejet de l'air de combustion à l'extérieur. L'énergie mécanique produite par le dispositif peut notamment être utilisée pour la propulsion de véhicules et/ou transformée en énergie électrique via un alternateur. La pression basse du cycle peut être de l'ordre de 105 à quelques 106 Pa, la pression haute de l'ordre de 106 à 2x107 Pa, et le rapport de compression de 5 à 30. Le rendement thermodynamique théorique du dispositif est r1=1 û (TD/TB). Avec typiquement TD =-320°K et TB = 1000°K à 1200°K, rl est égal à 0,68 à 0,73. Examples of applications where the device implements an Ericsson cycle include the following four. EXAMPLE 1 The device can be inter alia configured in the following application, in which the device uses a thermodynamic cycle of Ericsson, where the thermodynamic fluid and the calocontactor are totally isolated from the outside, by sealed walls. which makes it possible to use a wide range of thermodynamic fluids and calocontactors. The configuration is that of FIG. 22. The thermodynamic fluid is a rare gas or a mixture of gases. rare, such as helium and / or argon. Hot, intermediate and cold calocontactors are a low melting point metal or metal alloy, such as an alkali metal or alloy in the liquid state, especially sodium or a sodium-potassium mixture. The SSER is configured according to FIG. 21 and implements in all its modules the mixture and the heat exchange against the current between the thermodynamic fluid and an intermediate calocontactor, and comprises several modules, or one and only uses this case only one intermediate calocontactor, such as the alkaline potassium (78%) / sodium (22%), where the percentages relate to the mass of the elements. The SSSF is in particular in the configuration of FIG. 13 or 14 and implements the mixing and the countercurrent heat exchange between the thermodynamic fluid and a cold calocontactor, which transfers heat to one or more cold source fluids in wall exchangers, optionally via one or more intermediate heat exchangers and wall exchangers, as illustrated in FIG. 14, and the cold calocontactor may also be an alkaline mixture such as potassium (78%) / sodiurn (22%) , and the cold source fluid is in particular the water of a river or a body of water or atmospheric air. The SSDC expansion and SSCC compression devices are rotary, dynamic or volumetric, adapted according to the principles presented above. The axes of rotation of the SSDC and SSCC machines can in particular be coupled, optionally by a ratio coupling * stable and / or disengageable. The primary heat is transmitted to the hot heat exchanger through the walls of one or more wall exchangers in the SSSC, where the nature and / or modes of generation of the primary heat may notably be as follows: generating the primary heat, which may be of varied nature, can be in particular a material whose molecules, atoms or their sub-constituents are at the origin of this generation, transferring the heat, in particular by conduction and / or convection, to the hot calocontactor circulating along the walls separating it from said seat medium from the generation of the primary heat, said medium possibly being in the solid, liquid or gaseous state, or partially in the liquid and / or solid and / or gaseous state, and the substances giving rise to the reactions and / or the products or residues resulting therefrom may be introduced or renewed and / or discharged continuously or discontinuously, or the primary heat can come from solar radiation, for example concentrated, by mirror systems to the walls of a receiving zone inside which the hot heat circulator circulates, - or the primary heat can also be generated in a reaction chamber by combustion of CHON materials, for example coal, with the oxygen of the air, which is in particular entirely consumed by the reactions of: combustion, and: 25 * it may be a particular combustion at atmospheric pressure in bed (solid fuel fragmented, the heat is transmitted to the surface of the walls. I the other side of which circulates the hot calocontactor, including conduction through the fragmented material, for example coal given its conductivity high thermal, it can also be a combustion in a fluidized bed combustion chamber, or rotary, such as a vortex, the walls of the exchangers placed in the combustion chamber being traversed internally by the hot calocontactor, * the reaction chamber can be pressurized and the atmospheric air can in particular achieve a net zero cycle cycle of work and heat exchanged with the outside 35 consisting of adiabatic compression, then a regenerative heating, then enter and exit the reaction chamber, then a regenerative cooling, then an adiabatic expansion, and the air circuit comprises an SSCS, a SSER and an SSDS, and passes through the SSSC, * or an open Brayton cycle, and the air circuit includes SSCS, SSSC and 40 SSDS, * the reaction chamber can also operate at atmospheric pressure, in which case the SSCS is replaced by a transfer device gaseous fluids, and the SSDS may disappear, * the SSSC and / or other subsystems of the air circuit may comprise devices 45 performing physico-chemical treatments, such as DeSOx, DeNOx operations capture carbon dioxide, filter dust and fumes, before rejecting combustion air outside. The mechanical energy produced by the device can in particular be used for the propulsion of vehicles and / or transformed into electrical energy via an alternator. The low pressure of the cycle can be of the order of 105 to some 106 Pa, the high pressure of the order of 106 to 2x107 Pa, and the compression ratio of 5 to 30. The theoretical thermodynamic efficiency of the device is r1 = 1 - (TD / TB). With typically TD = -320 ° K and TB = 1000 ° K at 1200 ° K, rl is equal to 0.68 to 0.73.
Exemple 2. Le fluide thermodynamique réalise un cycle de Ericsson et évolue en étant isolé de l'extérieur, mais le calocontacteur chaud peut être mis en contact avec l'extérieur. Cette configuration est applicable par exemple à une centrale géothermique. La zone souterraine source de chaleur géothermale peut être spontanément active, avec l'existence d'eaux ou saumures géothermales chaudes sous pression. Celles ûci peuvent être captées en les maintenant sous pression et introduites dans le dispositif et procédé de l'invention. Il est aussi possible d'activer la zone géothermale en y injectant de l'eau, que l'on peut aussi capter sous pression et introduire dans le dispositif (au niveau du SSSC). Il est aussi possible d'activer la zone géothermale en y injectant par exemple un liquide organique restant à l'état liquide à la température maximale rencontrée dans la zone géothermale. Le calocontacteur chaud est un liquide organique non miscible avec l'eau. Dans tous les cas, on peut réaliser un cycle de Ericsson: - soit en introduisant l'eau ou saumure géothermale chaude sous pression dans un échangeur - mélangeur liquide -liquide, où le second liquide est un fluide organique à 20 l'état liquide, - soit en récupérant dans le SSSC ce fluide organique chaud s'il a été injecté dans a zone géothermale. Les deux configurations du SSSC sont données dans les figures 28 et 29. Dans la figure 28, l'eau géothermale (50) entrant dans le SSSC (3) circule dans un ensemble mélangeur 25 û échangeur û séparateur à contre courant liquide û liquide (43) et cède de la chaleur au calocontacteur chaud (1C) provenant du SSDC, introduit, via notamment une pompe de réduction de pression (44), dans (43) d'où il sort réchauffé et est transféré, via notamment une pompe d'accroissement de pression (45), dans un mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant liquide û gaz (46) où il transfère un 30 complément de chaleur au fluide thermodynamique (2), et quitte le SSSC soit depu s (46) comme représenté sur la figure 28, soit de préférence depuis (43) et via une pompe d'accroissement de pression (le calocontacteur sortant de (46) étant alors recirculé dans (43)), pour accompagner le fluide thermodynamique dans sa détente quasi isotherme dans le SSDC. Dans, la figure 29, le calocontacteur chaud (1C), provenant du SSDC et 35 transféré par une pompe notamment de réduction de pression (44), est directement introduit dans la zone souterraine géothermale, où il reste à l'état liquide, et, ainsi réchauffé, est introduit dans le SSSC (3) via une pompe (31), subit optionnellement un traitement physico û chimique (séparation des autres matières solides et liquides...) dans l'appareil (52), est transféré via une pompe notamment d'accroissement de pression (45), 40 dans un mélangeur -- échangeur û séparateur à contre courant: liquide û gaz (46), où il transfère un complément de chaleur au fluide thermodynamique (2), et quitte le SSSC soit depuis (46) comme représenté sur la figure 29, soit de préférence depuis (43) et via une pompe d'accroissement de pression (le calocontacteur sortant de (46) étant alors recirculé dans (43)), pour accompagner le fluide thermodynamique dans sa détente 45 quasi isotherme dans le SSDC. Un fluide organique peut aussi être utilisé comme calocontacteur intermédiaire dans le SSER, par exemple constitué d'un seul module. Le fluide thermodynamique peut être par exemple de l'azote. Le calocontacteur froid peut être notamment l'eau de la source froide. Example 2. The thermodynamic fluid carries out an Ericsson cycle and evolves while being isolated from the outside, but the hot calocontactor can be brought into contact with the outside. This configuration is applicable for example to a geothermal power plant. The underground geothermal heat source zone can be spontaneously active, with the existence of hot geothermal water or brines under pressure. These can be captured by keeping them under pressure and introduced into the device and method of the invention. It is also possible to activate the geothermal zone by injecting water, which can also be captured under pressure and introduced into the device (at the SSSC). It is also possible to activate the geothermal zone by injecting, for example, an organic liquid remaining in the liquid state at the maximum temperature encountered in the geothermal zone. Hot calocontactor is an organic liquid immiscible with water. In any case, a cycle of Ericsson can be carried out: either by introducing water or hot geothermal brine under pressure into a liquid-liquid mixer-exchanger, where the second liquid is an organic fluid in the liquid state, or by recovering in the SSSC this hot organic fluid if it has been injected into a geothermal zone. The two configurations of the SSSC are given in FIGS. 28 and 29. In FIG. 28, the geothermal water (50) entering the SSSC (3) circulates in a mixing unit 25 - exchanger - separator with liquid-liquid counterflow ( 43) and transfers heat to the hot contact sensor (1C) from the SSDC, introduced, in particular via a pressure reduction pump (44), into (43) from which it exits heated and is transferred via, in particular, a heat pump. increasing pressure (45) in a countercurrent-gas-liquid separator-exchanger mixer (46) where it transfers additional heat to the thermodynamic fluid (2), and leaves the SSSC either from (46) as shown in FIG. 28, preferably from (43) and via a pressure increase pump (the calocontactor exiting from (46) being then recirculated in (43)), to accompany the thermodynamic fluid in its almost isothermal expansion in the SSDC. In FIG. 29, the hot calocontactor (1C), originating from the SSDC and transferred by a pump, in particular a pressure reducing pump (44), is directly introduced into the geothermal subterranean zone, where it remains in the liquid state, and , thus heated, is introduced into the SSSC (3) via a pump (31), optionally undergoes a physicochemical treatment (separation of other solids and liquids, etc.) in the apparatus (52), is transferred via a pump in particular for increasing the pressure (45), 40 in a mixer - countercurrent separator - liquid-to-gas (46), where it transfers additional heat to the thermodynamic fluid (2), and leaves the SSSC either from (46) as shown in FIG. 29, preferably from (43) and via a pressure increase pump (the calocontactor exiting from (46) being then recirculated in (43)), to accompany the thermodynamic fluid in his relaxation 45 almost isothermal in the SS DC. An organic fluid can also be used as an intermediate heat sink in the SSER, for example consisting of a single module. The thermodynamic fluid may be, for example, nitrogen. The cold calocontactor can be in particular the water of the cold source.
Le rapport de compression peut être de l'ordre de 5 à 10. La pression basse peut être cle l'ordre de 105 à Io' Pa. Le rendement théorique rl dépend de la température de la zone géothermale. Avec TD = 310°K et TB = 500°K, le rendement théorique ri est égal à 0,38. Exemple 3. Le fluide thermodynamique réalise un cycle de Ericsson et n'est pas isolé de l'extérieur et échange de la matière avec l'air ambiant. La chaleur primaire est générée dans une chambre de réaction par les réactions entre l'oxygène, prélevé avec l'air extérieur, un métal alcalin X, et de l'eau, dans des proportions d'une mole de métal alcalin pour 0,5 mole d'eau et 0,25 mole d'oxygène, selon les réactions suivantes X + H2O -* XOH +'/2 112, '/2 H2 +02 -* 'h H2O, et se matérialisant par le bilan global X + H2O+ '/4 02 -* XOH. En variante, la chaleur primaire est générée par la réaction d'un hydrure de métal alcalin avec l'oxygène de l'air. L'hydroxyde XOH à l'état liquide, le dispositif fonctionnant à une température significativement supérieure à la température de fusion de l'hydroxyde, joue le rôle de calocontacteur à la rois dans la chambre de réaction pour la maîtrise et la stabilisation des réactions et de la température, et pour accompagner le fluide thermodynamique dans sa détente dans le SSDC. L'hydroxyde en excès évacué de la chambre de réaction peut servir à réchauffer le métal alcalin, optionnellement l'eau, avant leur introduction dans la chambre de réaction. Le fluide thermodynamique est de l'azote (avec éventuellement des faibles quantités de vapeur d'eau et d'hydrogène ou d'oxygène) dans les parties du circuit fluide thermodynamique entre la sortie de la chambre de réaction du SSSC et le rejet partiel vers l'extérieur du fluide thermodynamique au sein du SSSF, et où ensuite une fraction d'air frais est prélevée à l'extérieur apporte l'oxygène nécessaire aux réactions et remplace la fraction d'azote rejetée. Le SSER peut être notamment configuré selon la figure 21 à deux modules, le premier utilisant par exemple comme premier calocontacteur intermédiaire de l'hydroxyde XOH à l'état liquide, le second utilisant un calocontacteur restant liquide sur la gamme complémentaire de température, jusqu'à la température basse du cycle, ou bien constitué d'un échangeur régénérateur gaz û gaz à parois (le SSER pouvant aussi optionnellement être uniquement constitué d'un tel échangeur). Les appareils de détente du SSDC et de compression du SSCC sont de type rotatif, volumétrique ou dynamique. Le rapport de compression peut être de l'ordre de 5 à 10. Le dispositif peut ainsi constituer un moteur de propulsion notamment de véhicules massifs (trains, bateaux) n'émettant pas de CO2. Il peut aussi être couplé à un alternateur et constituer une centrale ou un générateur électrique n'émettant pas de CO2. L'hydroxyde XOH peut notamment être récupéré et retransfibrmé en métal alcalin X, notamment par électrolyse, dans des installations adaptées, et le métal alcalin recyclé, pour être à nouveau utilisé par des dispositifs dans cette configuration. Avec typiquement TB = 320°K et TB = 900°K à 1100°K, le rendement théorique r1 est égal à 0,64 à 0,71. Exemple 4. Le dispositif réalise deux cycles thermodynamiques: un cycle de Brayton ouvert ou bien celui décrit sur la figure 1, effectué par de l'air dont l'oxygène est utilisé dans des réactions de combustion de matériaux CHON générant la chaleur primaire, et un cycle de Ericsson fermé et isolé de l'extérieur, effectué par de l'azote, ou un mélange azote û dioxyde de carbone, comme second fluide thermodynamique. Le schéma général de cet agencement est donné sur la figure 27, dans le cas où l'air effectue le cycle de la figure 1. Lorsque l'air effectue un cycle de Brayton ouvert, le SSER air (9-1) est supprimé. Dans cette application, les matières CHON sont notamment du charbon pulvérisé. The compression ratio can be of the order of 5 to 10. The low pressure can be of the order of 105 to 10 Pa. The theoretical yield depends on the temperature of the geothermal zone. With TD = 310 ° K and TB = 500 ° K, the theoretical yield ri is equal to 0.38. Example 3. The thermodynamic fluid carries out a cycle of Ericsson and is not isolated from the outside and exchange of the material with the ambient air. The primary heat is generated in a reaction chamber by the reactions between the oxygen, taken with the outside air, an alkali metal X, and water, in proportions of one mole of alkali metal for 0.5 mole of water and 0.25 mole of oxygen, according to the following reactions X + H2O - * XOH + '/ 2 112,' / 2 H2 +02 - * 'h H2O, and materializing by the overall balance X + H2O + '/ 402 - * XOH. Alternatively, the primary heat is generated by the reaction of an alkali metal hydride with the oxygen of the air. XOH hydroxide in the liquid state, the device operating at a temperature significantly higher than the melting temperature of the hydroxide, acts as a kaocontactor in the reaction chamber for the control and stabilization of reactions and temperature, and to accompany the thermodynamic fluid in its relaxation in the SSDC. The excess hydroxide evacuated from the reaction chamber may be used to heat the alkali metal, optionally water, prior to introduction into the reaction chamber. The thermodynamic fluid is nitrogen (with possibly small amounts of water vapor and hydrogen or oxygen) in the portions of the thermodynamic fluid circuit between the output of the SSSC reaction chamber and the partial discharge to the the outside of the thermodynamic fluid within the SSSF, and where then a fraction of fresh air is taken out brings the necessary oxygen to the reactions and replaces the nitrogen fraction released. The SSER can in particular be configured according to FIG. 21 with two modules, the first using, for example, as the first intermediate calocontactor XOH hydroxide in the liquid state, the second using a calocontactor remaining liquid on the complementary range of temperature, up to at the low temperature of the cycle, or else consists of a gas-to-gas regeneration exchanger with walls (the SSER may optionally also consist solely of such an exchanger). The SSDC and SSCC compression devices are rotary, volumetric or dynamic. The compression ratio can be of the order of 5 to 10. The device can thus be a propulsion engine including massive vehicles (trains, boats) emitting no CO2. It can also be coupled to an alternator and constitute a power station or an electric generator that emits no CO2. XOH hydroxide may in particular be recovered and retransfibrmé alkali metal X, including electrolysis, in suitable facilities, and the recycled alkali metal, to be used again by devices in this configuration. With typically TB = 320 ° K and TB = 900 ° K at 1100 ° K, the theoretical yield r1 is 0.64 to 0.71. Example 4 The device carries out two thermodynamic cycles: an open Brayton cycle or that described in FIG. 1, carried out by air whose oxygen is used in combustion reactions of CHON materials generating the primary heat, and a closed and externally isolated Ericsson cycle, carried out by nitrogen, or a mixture of nitrogen and carbon dioxide, as a second thermodynamic fluid. The general scheme of this arrangement is given in Fig. 27, in the case where the air carries out the cycle of Fig. 1. When the air performs an open Brayton cycle, the air SSER (9-1) is suppressed. In this application, CHON materials are especially pulverized coal.
Dans le cas où l'air effectue le cycle de la figure 1, tel que décrit sur la figure 27, l'air (2-1), prélevé dans l'atmosphère à pression et température ambiante, effectue une compression adiabatique dans le SSCS (8-1) puis entre dans l'échangeur régénérateur du circuit air (9-1) fonctionnant à contre courant où il effectue un échauffement isobare et est introduit dans la chambre de réaction du SSSC (3). Le fonctionnement de la chambre de réaction est celui décrit dans la figure 12. Dans la chambre de réaction (34-1) se trouvent, en mélange dispersé: - les matières de composition CHON, notamment du charbon pulvérisé (38) introduit par un dispositif d'introduction (39), - l'air (2-1) dont l'oxygène est entièrement consommé dans les réactions,et transformé en dioxyde carbone, ceci afin d'avoir un dégagement de chaleur primaire maximum dans le volume de la chambre de réaction, et conditions non oxydantes en aval, - le calocontacteur chaud 1 (1C-1) qui est ici un solide pulvérulent réfractaire et résistant aux conditions régnant à l'intérieur de la chambre de réaction (à la température élevée, à l'oxydation par l'oxygène encore présent...), par exemple de la silice, -les résidus (cendres) de la combustion du charbon (40). Le mélange air de combustion, particules de charbon non consommées, calocontacteur chaud 1 et résidus sortant de la chambre de réaction (34-1) entre dans un dispositif d.e séparation (30) permettant de séparer le charbon pulvérisé non consommé qui est recyclé dans la chambre (34-1), les résidus, qui sont évacués, le calocontacteur chaud 1 (1C-1), et l'air de combustion (2-1). Celui-ci peut contenir, outre l'azote et le dioxyde de carbone résultant de la consommation de l'oxygène, du SOx dû à la présence éventuelle de soufre dans le charbon. Afin d'éviter le rejet du SOx dans l'atmosphère, qui serait néfaste pour l'environnement, l'air de combustion (2-1) sortant de (34-1) entre dans un appareil de traitement DeSOx (152), consistant en une chambre de traitement, dans laquelle du carbonate de calcium pulvérisé est introduit. L'air de combustion, débarrassé du SOx sort, ainsi que du sulfate de calcium qui s'est formé et optionnellement une partie du carbonate de calcium non utilisé, de l'appareil de DeSOx (52) pour entrer dans un séparateur (non représenté sur la figure 12) d'où sort le sulfate de calcium, qui est évacué, via un dispositif de transfert, le carbonate de calcium, qui est recyclé dar..s l'appareil de DeSOx, l'air de combustion (2-1). Le calocontacteur chaud 1 (1C-1), propulsé par l'appareil de transfert (42-1) entre dans l'ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant solide pulvérulent û liquide (43) où il cède ses calories au calocontacteur chaud 2 (1C-2) qui est par exemple un métal liquide, notamment de l'étain (vis à vis duquel le fluide thermodynamique 2 û azote ou azote et CO2- et le calocontacteur chaud 1, notamment de la silice pulvérulente, sont chimiquement inertes). Le calocontacteur chaud 2 (1C-2) réchauffé va agir comme calocontacteur chaud vis à vis du fluide thermodynamique 2 (2-2) qui est de l'azote ou un mélange azote û dioxyde de carbone, et qui effectue un cycle de Ericsson La suite du processus est identique à la description du reste de la figure 12, dont disparaît la portion de circuit du calocontacteur 3 et du fluide thermodynamique 3. L'ensemble des parois intérieures des appareils en contact avec le calocontacteur chaud 2 et les tuyauteries de transferts, sont recouvertes d'un matériau résistant à l'étain liquide. Le choix de deux calocontacteurs chauds différents est de permettre l'extraction de chaleur par le calocontacteur 1, la silice pulvérulente, dans la chambre de réaction, la silice résistant à ces conditions, y compris en présence d'oxygène, en évitant que le calocontacteur chaud 2, l'étain, ne s'oxyde par trop, ce qui serait le cas s'il était introduit directement dans la chambre. L'axe de rotation des appareils du SSDC peut être couplé avec celui d'un alternateur électrique, et le dispositif constitue ainsi une centrale électrique à charbon basée sur un cycle de Ericsson. A titre d'illustration, pour Tl = 1200°K et T2 = 300°K, le rendement théorique du dispositif est 'ri = 1-T2/Tl = 0,75. La pression basse peut être comprise entre 105 et 106 Pa, le rapport de compression du SSCC, et de détente du SSDC, peut être de l'ordre de 5 à 30, la pression dans la chambre de combustion peut être de l'ordre de 105 et 106 Pa. In the case where the air carries out the cycle of FIG. 1, as described in FIG. 27, the air (2-1) taken from the atmosphere at pressure and ambient temperature performs adiabatic compression in the SSCS. (8-1) then enters the regenerator exchanger of the air circuit (9-1) operating against the current where it performs isobaric heating and is introduced into the reaction chamber of the SSSC (3). The operation of the reaction chamber is that described in FIG. 12. In the reaction chamber (34-1) there is, in a dispersed mixture: the materials of composition CHON, in particular pulverized coal (38) introduced by a device of introduction (39), - air (2-1) whose oxygen is entirely consumed in the reactions, and converted into carbon dioxide, so as to have a maximum primary heat release in the volume of the chamber reaction, and non-oxidizing downstream conditions, - the hot calocontactor 1 (1C-1) which is here a powdered solid refractory and resistant to the conditions prevailing inside the reaction chamber (at high temperature, at the oxidation by oxygen still present ...), for example silica, -the residues (ashes) of the combustion of coal (40). The combustion air mixture, unconsumed coal particles, hot calocontactor 1 and residues exiting the reaction chamber (34-1) enter a separating device (30) for separating the spent non-consumed pulverized coal which is recycled into the combustion chamber. chamber (34-1), the residues, which are evacuated, the hot calocontactor 1 (1C-1), and the combustion air (2-1). This may contain, in addition to nitrogen and carbon dioxide resulting from the consumption of oxygen, SOx due to the possible presence of sulfur in the coal. In order to avoid the release of SOx into the atmosphere, which would be harmful to the environment, the combustion air (2-1) leaving (34-1) enters a DeSOx treatment apparatus (152), consisting of in a treatment chamber, in which pulverized calcium carbonate is introduced. The combustion air, free of SOx, comes out, as well as the calcium sulphate that has formed and optionally some of the unused calcium carbonate, from the DeSOx apparatus (52) to enter a separator (not shown). 12), from which the calcium sulphate is discharged, via a transfer device, the calcium carbonate, which is recycled from the DeSOx apparatus, the combustion air (FIG. 1). The hot calocontactor 1 (1C-1), propelled by the transfer apparatus (42-1), enters the powdered solid-liquid countercurrent mixer (43) where it transfers its calories to the hot calocontactor. 2 (1C-2) which is for example a liquid metal, in particular tin (with respect to which the thermodynamic fluid 2 - nitrogen or nitrogen and CO2 - and the hot calocontactor 1, in particular pulverulent silica, are chemically inert ). The heated hot air convector 2 (1C-2) will act as a hot air switch against the thermodynamic fluid 2 (2-2) which is nitrogen or a mixture of nitrogen and carbon dioxide, and which carries out a cycle of Ericsson La Following the process is identical to the description of the rest of Figure 12, which disappears the circuit portion of the calocontactor 3 and the thermodynamic fluid 3. The entire interior walls of the apparatus in contact with the hot calocontactor 2 and the transfer piping , are coated with a material resistant to liquid tin. The choice of two different hot airconductors is to allow the extraction of heat by the calocontactor 1, pulverulent silica, in the reaction chamber, the silica resistant to these conditions, including in the presence of oxygen, while avoiding that the heat sink hot 2, tin, does not oxidize too much, which would be the case if it was introduced directly into the room. The axis of rotation of the SSDC devices can be coupled with that of an electric alternator, and the device thus constitutes a coal-fired power plant based on an Ericsson cycle. By way of illustration, for T1 = 1200 ° K and T2 = 300 ° K, the theoretical yield of the device is ri = 1-T2 / T1 = 0.75. The low pressure can be between 105 and 106 Pa, the compression ratio of the SSCC, and the expansion of the SSDC, can be of the order of 5 to 30, the pressure in the combustion chamber can be of the order of 105 and 106 Pa.
Lorsqu'elle est égale à 105 Pa, c'est à dire à la pression atmosphérique, le cycle thermodynamique effectué par l'air se réduit à un échauffement refroidissement dans le SSER air désigné (9-1) sur la figure 27 (les points D et A de la figure 1 sont alors confondus) et les appareils des SSCS (8-1) et SSDS (6-1) se réduisent à des appareils de transfert de fluide à l'état gazeux et le dispositif ne réalise qu'un seul cycle de thermodynamique générateur d'énergie mécanique de Ericsson. Dans la configuration où l'air de combustion effectue un cycle de Brayton, l'axe de rotation du SSDS (6-1) est couplé à celui d'un alternateur qui produit ainsi cle l'électricité complémentaire à celle délivrée par l'alternateur principal couplé au SSDC (5). When it is equal to 105 Pa, that is to say at atmospheric pressure, the thermodynamic cycle carried out by the air is reduced to a cooling heating in the designated air SSER (9-1) in FIG. 27 (the points D and A of FIG. 1 are then combined) and the apparatus of the SSCS (8-1) and SSDS (6-1) are reduced to gaseous fluid transfer devices and the device only realizes one Ericsson's only cycle of thermodynamic mechanical energy generator. In the configuration where the combustion air carries out a Brayton cycle, the axis of rotation of the SSDS (6-1) is coupled to that of an alternator which thus produces the electricity complementary to that delivered by the alternator. principal coupled to the SSDC (5).
Les exemples d'applications où le dispositif met en oeuvre un ou deux cycles de Brayton ouverts, ou une configuration intermédiaire, utilisent l'air comme fluide thermodynamique. Exemple 5. Le dispositif réalise un cycle de Brayton à combustion interne ouvert à l'extérieur et constitue notamment un moteur, en particulier pour la propulsion de véhicules, et utilisant de façon flexible des combustibles CHON consumés avec l'oxygène de l'air, notamment des solides fragmentés, notamment finement divisés, tels que des matières d'origine végétale - bois, biomasse, charbon de bois -, du coke, du charbon de préférence à faible teneur en corps autres que CHON, et/ou des combustibles CHON pâteux, liquides û tels que huiles, graisses, alcools, hydrocarbures-ou gazeux, ou des mélanges de ces différents combustibles, éventuellement contenant une fraction d'eau. La configuration est illustrée sur la figure 30. L'air est le fluide thermodynamique (2). L'oxygène de l'air est partiellement consommé lors des réactions de combustion. Par rapport à la figure 29, le SSSF se réduit à l'évacuation totale de l'air de réaction et à l'aspiration de l'air frais, la propulsion du fluide est assurée par le SSCS (8) et le SSDS (6), l'air frais est aspiré à l'entrée du SSCS (8) et l'air de combustion est rejeté à la sortie du SSDS (6), optionnellement après un traitement physico chimique. Le SSCS (8) est constitué d'un ou plusieurs appareils de compression de type volumétrique, notamment à piston, à palettes, à spirales, à lobes ou à vis, ou dynamique, notamment axiaux de type turbocompresseur, les appareils étant notamment disposés en série s'il y en a plusieurs. Le SSSC (3) comporte un chambre de combustion (34) dans laquelle sont introduits d'une part les combustibles, les quantités introduites étant ajustées pour dégager la quantité de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique, (38-1) et (38-2) dans un exemple où le dispositif utilise de façon distincte deux types de combustible, et d'autre part l'air frais comprimé, optionnellement une fraction du calocontacteur chaud qui pourrait avoir été entraînée par l'air de combustion sortant de la chambre, et qu'on recycle ainsi, et la chambre de combustion est notamment à un ou plusieurs vortex, tel qu'illustré sur la figure 31, ou à lit fluidisé non circulant, les résidus de combustion peuvent être évacués de façon continue ou discontinue. Le calocontacteur est résident dans la chambre de combustion, ou est recirculé continûment dans la chambre de combustion, il est non réactif vis à vis des différents corps cu matériaux présents dans la chambre, et est notamment soit un liquide soit un solide pulvérisé, tel que de la silice à l'état finement pulvérulent, et présent dans la chambre ce combustion en quantité adaptée pour assurer la maîtrise de la combustion et de i.a température selon une phase 4, optionnellement mélangé avec les résidus, tels que cendres, de combustion accumulés dans la chambre et/ou des aditifs de traitement physico ù chimique optionnellement introduits dans la chambre. Optionnellement, un circuit de recirculation en boucle fermé d'une fraction du fluide thermodynamique, éventuellement accompagné de calocontacteur, prélevée en sortie de la chambre de combustion et qui y est réintroduite en étant propulsée par un appareil de transfert de fluide à l'état gazeux (47), peut permettre de renforcer le mouvement et i.e mélange des matières dans la chambre de combustion. Optionnellement la chambre comporte des pièces mobiles pouvant permettre de renforcer le mouvement et le mélange des matières dans la chambre de combustion. La chambre de combustion du dispositif peut optionnellement être munie d'un dispositif d'introduction d'eau, optionnellement préalablement réchauffée par la chaleur de l'air de combustion sortant du SSDS (6), ceci pouvant favoriser un accroissement de régime et/ou de pression haute du dispositif et procédé. Optionnellement, un ou plusieurs appareils ou dispositifs permettent de séparer le calocontacteur éventuellement entraîné par le fluide thermodynamique sortant de la chambre de combustion avant que ce dernier n'entre dans le SSDS, et le calocontacteur ainsi récupéré peut être recyclé dans la chambre de combustion, via notamment un ou plusieurs appareils de transfert de fluides à l'état liquide ou à l'état de solides sous forme divisée. Examples of applications where the device uses one or two open Brayton cycles, or an intermediate configuration, use air as a thermodynamic fluid. Example 5 The device carries out an externally open internal combustion Brayton cycle and notably constitutes an engine, in particular for the propulsion of vehicles, and flexibly using CHON fuels consumed with the oxygen of the air, especially fragmented solids, in particular finely divided solids, such as materials of vegetable origin - wood, biomass, charcoal -, coke, coal preferably with a low body content other than CHON, and / or pasty CHON fuels liquids - such as oils, greases, alcohols, hydrocarbons or gases, or mixtures of these different fuels, possibly containing a fraction of water. The configuration is illustrated in Figure 30. The air is the thermodynamic fluid (2). The oxygen in the air is partially consumed during combustion reactions. Compared to Figure 29, the SSSF is reduced to the total evacuation of the reaction air and the suction of fresh air, the propulsion of the fluid is provided by the SSCS (8) and the SSDS (6). ), the fresh air is sucked at the inlet of the SSCS (8) and the combustion air is rejected at the exit of the SSDS (6), optionally after a physicochemical treatment. The SSCS (8) consists of one or more volumetric type compression devices, in particular piston, vane, spiral, lobe or screw type, or dynamic, in particular axial turbocharger type, the apparatus being in particular arranged in series if there are more than one. The SSSC (3) comprises a combustion chamber (34) into which are introduced on the one hand the fuels, the quantities introduced being adjusted to release the amount of heat necessary for the thermodynamic cycle, (38-1) and (38-2 ) in an example where the device separately uses two types of fuel, and secondly the compressed fresh air, optionally a fraction of the hot calocontactor which could have been driven by the combustion air leaving the chamber, and so recycled, and the combustion chamber is in particular one or more vortex, as shown in Figure 31, or non-circulating fluidized bed, the combustion residues can be discharged continuously or discontinuously. The calocontactor is resident in the combustion chamber, or is recirculated continuously in the combustion chamber, it is non-reactive with respect to the various bodies or materials present in the chamber, and is in particular either a liquid or a solid spray, such as silica in the finely powdered state, and present in the combustion chamber in an amount adapted to ensure the control of combustion and temperature in a phase 4, optionally mixed with the residues, such as ash, combustion accumulated in the chamber and / or chemical or chemical treatment additives optionally introduced into the chamber. Optionally, a closed-loop recirculation circuit of a fraction of the thermodynamic fluid, possibly accompanied by a calocontactor, taken at the outlet of the combustion chamber and reintroduced therein by being propelled by a fluid transfer apparatus in the gaseous state. (47), can enhance the movement and mixing of materials in the combustion chamber. Optionally the chamber has moving parts that can enhance the movement and mixing of materials in the combustion chamber. The combustion chamber of the device may optionally be provided with a water introduction device, optionally preheated by the heat of the combustion air leaving the SSDS (6), this may promote an increase in speed and / or high pressure device and method. Optionally, one or more devices or devices can separate the calocontactor possibly driven by the thermodynamic fluid leaving the combustion chamber before the latter enters the SSDS, and the calocontactor thus recovered can be recycled into the combustion chamber, via in particular one or more fluid transfer apparatus in the liquid state or in the form of solids in divided form.
Le SSDS (6) est constitué d'un ou plusieurs appareils de détente, de type volumétrique, notamment à piston, à palettes, à spirales, à lobes ou à vis, ou dynamique, notamment axiaux, de type turbine à gaz, les appareils étant notamment disposés en série s'il y en a plusieurs. Le dispositif peut notamment comporter des organes (non représentés sur la figure 30) agissant sur le passage du fluide thermodynamique, clapets de non retour, vannes ou soupapes, notamment situés entre la sortie du SSDS (6) et l'entrée de la chambre de combustion du SSSC (3), et entre la sortie de la chambre de combustion du SSSC (3) et l'entré du SSDS (6). Le dispositif peut optionnellement comporter des capacités intermédiaires contenant du fluide thermodynamique sous pression, pouvant notamment constituer un stock d'énergie mécanique libérable et/ou contribuer à stabiliser la pression haute du cycle. Les axes de rotation des appareils du SSCS (8) et du SSDS (6) peuvent faire l'objet d'un couplage mécanique ajustable et/ou débrayable, ils peuvent être munis de dispositifs de freinage et/ou de dispositifs empêchant la rotation en sens inverse, et l'axe de rotation du SSDS (6) entraîne le système transmettant la puissance mécanique, notamment via un couplage ajustable. Optionnellement, le cycle thermodynamique effectué peut différer d'un cycle de Brayton en ce que l'échauffement, et/ou le refroidissement, peuvent ne pas être isobares, notamment si l'appareil ou les appareils de compression et/ou détente sont de type alternatif. Optionnellement les matières combustibles sont séchées et/ou réchauffées par l'air de combustion sortant du SSDS et/ou font l'objet d'une thermolyse au sein du dispositif et procédé et les gaz de thermolyse sont brûlés dans la chambre de réaction, et les matières solides résultant du séchage et/ou de la thermolyse sont optionnellement broyées et ou pulvérisées de façon complémentaire à leur fragmentation initiale avant d'être introduites dans la chambre de réaction. The SSDS (6) consists of one or more expansion devices, of volumetric type, including piston, vane, spiral, lobe or screw, or dynamic, in particular axial, type gas turbine, the devices being in particular arranged in series if there are several. The device may in particular comprise members (not shown in FIG. 30) acting on the passage of the thermodynamic fluid, nonreturn valves, valves or valves, in particular located between the exit of the SSDS (6) and the inlet of the chamber. combustion of the SSSC (3), and between the SSSC combustion chamber outlet (3) and the SSDS inlet (6). The device may optionally comprise intermediate capacities containing pressurized thermodynamic fluid, which may in particular constitute a stock of releasable mechanical energy and / or contribute to stabilizing the high pressure of the cycle. The axes of rotation of the SSCS (8) and SSDS (6) devices may be mechanically adjustable and / or disengageable coupling, they may be provided with braking devices and / or devices preventing the rotation in rotation. in the opposite direction, and the axis of rotation of the SSDS (6) drives the system transmitting the mechanical power, in particular via an adjustable coupling. Optionally, the thermodynamic cycle performed may differ from a Brayton cycle in that the heating, and / or cooling, may not be isobaric, especially if the device or the compression and / or expansion devices are of type alternative. Optionally, the combustible materials are dried and / or heated by the combustion air leaving the SSDS and / or thermolysis within the device and process and the thermolysis gases are burned in the reaction chamber, and the solids resulting from drying and / or thermolysis are optionally milled and or sprayed in a manner complementary to their initial fragmentation before being introduced into the reaction chamber.
Le dispositif est aussi notamment muni de capteurs permettant de mesurer notamment la température et la pression dans la chambre de combustion, les vitesses de rotations des appareils du SSCS et du SSDS, et les positions des actionneurs. En agissant sur les actionneurs : vannes et /ou soupapes, freins, quantité de combustible introduit dans la chambre, optionnellement libération d'air de la capacité de stockage d'air comprimé, quantité d'eau injectée, il est possible de faire effectuer au moteur des variations de régimes et d'en ajuster le niveau de puissance, ainsi que de réguler la pression et la température régnant dans la chambre de combustion. Le rapport de compression du SSCS, et de détente du SSDS, peut être de l'ordre 5 à 33. The device is also notably equipped with sensors for measuring in particular the temperature and the pressure in the combustion chamber, the rotational speeds of the SSCS and SSDS devices, and the positions of the actuators. By acting on the actuators: valves and / or valves, brakes, quantity of fuel introduced into the chamber, optionally release of air from the storage capacity of compressed air, quantity of water injected, it is possible to make engine speed variations and adjust the power level, as well as regulate the pressure and temperature in the combustion chamber. The compression ratio of the SSCS, and relaxation of the SSDS, can be of the order of 5 to 33.
Dans ces conditions le rendement théorique ri est compris entre 0,37 et 0,62. Exemple 5-variante 1. Les caractéristiques sont similaires, et le dispositif constitue un turboréacteur, notamment pour la propulsion d'avions. Le SSCS est alors un turbocompresseur, aspirant l'air extérieur, et le SSDS une turbomachine de détente, le turbocompresseur et la turbomachine ayant le même axe de rotation. Un exemple d'agencement de la chambre de réaction, et des chemins de circulation de l'air comprimé sortant de l'étape de compression adiabatique, s'échauffant dans la chambre de réaction, puis allant vers l'étape de détente adiabatique, est illustré sur la figure 32, où la chambre de combustion (34) est de type rotatif, tel que cyclone, et y sont présents le calocontacteur, solide pulvérulent, résident grâce à l'effet de vortex, l'air (2) et les matières CHON, notamment solides pulvérisées, qui s'y consument. L'air, comprimé par un SSCS constitué d'un turbo compresseur, non représenté sur la figure 32 (coupe longitudinale à gauche et coupe transversale à droite), est introduit dans la chambre (34) par une zone périphérique (53) et quitte la chambre (34) par une zone centrale (54), :'a chambre effectuant la fonction de séparateur centrifuge permettant d'y confiner les matières solides, plus denses. L'air échauffé est dirigé ensuite vers un SSDS constitué d'une turbine (non représentée sur la figure 32). Cette configuration peut optionnellement s'appliquer à un turbopropulseur, ou à un statoréacteur. Exemple 5- variante 2. Les réactifs avec l'oxygène sont de l'hydrure de métal alcalin XH ou un rnétal alcalin X et de l'eau, le calocontacteur dans la chambre de réaction étant l'hydroxyde du métal alcalin XOH formé, à l'état liquide. La configuration est identique à celle de la figure 30, mais où c'est de l'hydrure de métal alcalin, ou du métal alcalin et de l'eau dans les proportions convenables, qui sont introduits dans la chambre. Un traiternent ou filtrage de l'air en entrée et/ou en sortie du SSDS peut permettre de garantir l'absence d'hydroxyde. Dans une telle configuration, le dispositif réalise un moteur de propulsion de véhicules, notamment légers, ou bien, couplé à un alternateur, un générateur électrique, sans émissions de dioxyde de carbone. Exemple 6. Les dispositions sont semblables à celles de l'exemple 5, mais, par rapport à la configuration de l'exemple 5: - l'air est le fluide thermodynamique et effectue un cycle thermodynamique ouvert avec 40 recyclage; - l'oxygène utilisable de l'air est entièrement consommé dans la chambre de combustion, dans laquelle les combustibles CHON, lorsque ils sont solides ou pâteux, peuvent être introduits sous forme fragmentée, optionnellement grossièrement, et la chambre de combustion peut optionnellement ne pas contenir de calocontacteur; 45 - comme l'illustre la figure 33, l'air de combustion (2), au lieu d'être rejeté à l'extérieur après la détente quasi adiabatique dans le SSDS (6), circule dans un SSSF (4) où, comme illustré sur la figure 16, il est refroidi par un calocontacteur froid lors d'une oa plusieurs phases 3, où optionnellement le calocontacteur peut se vaporiser dans certaines d'entre elles, puis être re-condensé dans d'autres, et où une partie de l'air est rejetée à l'extérieur, pour être remplacée par de l'air frais extérieur, en proportions telles que la quantité d'oxygène présent dans l'air entrant dans la chambre de réaction soit égale à la quantité nécessaire pour générer la quantité de chaleur primaire nécessaire au cycle thermodynamique; - les combustibles (38) sont introduits par un dispositif approprié (39) dans la chambre de combustion (34-1), qui peut être une chambre de combustion en lit de combustible solide; - lorsque de l'eau est accessible continûment au dispositif, par exemple dans le cas d'un navire propulsé par le dispositif et procédé, l'eau peut être directement utilisée comme calocontacteur froid:, - optionnellement, une fraction de l'air contenant de l'oxygène et sortant du SSCS (8), peut, via un dispositif d'aiguillage, notamment réglable, effectuer un bipasse de la chambre de réaction et être re-mélangé en aval, notamment dans une chambre de combustion secondaire (34-2) qui peut optionnellement contenir un calocontacteur, avec le flux principal d'air de combustion sortant de la chambre de réaction, et ce afin de consumer avec l'oxygène le monoxyde de carbone et/ou les gaz de pyrolyse ou de synthèse (tels que hydrocarbures, hydrogène...) éventuellement contenus dans l'air de combustion, et en éviter le rejet à l'atmosphère. Dans la configuration optionnelle avec bipasse et seconde chambre, l'on établît des conditions de fonctionnement qui limitent les éventuelles quantités de monoxyde de carbone et de gaz de synthèse formés dans la chambre principale de combustion (34-1), et où la quantité de chaleur éventuellement dégagée dans la chambre secondaire (34-2) est sensiblement inférieure à celle dégagée dans la chambre (34-1), à la différence des cycles de l'état des techniques utilisant la génération de gaz de synthèse pour faire fonctionner une turbine à gaz. Exemple 7. Dans la configuration de cet exemple d'application, illustrée sur la figure 34, l'air (2-1) effectue un premier cycle de Brayton, où il est comprimé adiabatiquement dans un SSCS-1 (8-1), introduit dans une chambre de réaction (34) où il effectue une combustion de matières CHON, notamment solides (38), optionnellement grossièrement fragmentées, introduites par le dispositif (39), en présence d'un calocontacteur chaud liquide (1C), par exemple un sel ou un mélange de sels fondus, puis l'air se détend dans un SSDS-1 (6-1) et est rejeté à l'extérieur. L'oxygène est notamment entièrement consommé dans la combustion Le calocontacteur chaud est circulé dans un ensemble mélangeur û échangeur û séparateur à contre courant liquide û gaz (46), où il cède ses calories au second fluide thermodynamique ( 2-2) qui est aussi de l'air, comprimé adiabatiquement dans un SSCS-2 (8-2) et qui se détend adiabatiquement dans un SSDS••2 (6-2). La circulation du calocontacteur chaud est assurée par des pompes de circulation de liquide, notamment d'augmentation et de réduction de pression (45) et (44), dans le cas où les pressions maximales des deux cycles de Brayton diffèrent, et par des pompes de circulation si elles sont identiques. Lorsque optionnellement la chambre de réaction est à pression atmosphérique, le SSCS-1 (8-1) est alors constitué d'un appareil de transfert de fluide à l'état gazeux et le SSDS-1 (6-1) disparaît et le seul cycle moteur est celui effectué par le fluide thermodynamiique (2-2). Le SSSC (3), commun aux deux cycles, est constitué pi" la chambre de réaction où s'effectue la combustion, les appareils d'introduction des matières CHON, les appareils d'évacuation des résidus, le circuit de circulation du calocontacteur chaud, et l'ensemble de mélangeurs û échangeurs û séparateurs à contre courant. La vitesse de rotation des appareils du SSCS-1 peut être variable et ajustée pour assurer l'apport d'oxygène requis pour le dégagement de la chaleur dans la chambre de réaction du SSSC'. Optionnellement, lorsque les pressions maximales des deux cycles de Brayton sont identiques, on supprime de la configuration de la figure 34 le SSCS-1 (8-1) et le SSDS-1 (6-1), et on rajoute les tuyauteries d'air (55-1) et (55-2) et un dispositif d'aiguillage de l'air (57), qui permet d'ajuster le débit d'air, et par là le débit d'oxygène, introduit dans la chambre de combustion (34), afin que la quantité de chaleur primaire dégagée soit égale à la quantité de chaleur nécessaire au cycle thermodynamique. Under these conditions the theoretical yield ri is between 0.37 and 0.62. Example 5-Variant 1. The characteristics are similar, and the device constitutes a turbojet, particularly for the propulsion of aircraft. The SSCS is then a turbocharger, sucking the outside air, and the SSDS a turbomachine of relaxation, the turbocharger and the turbomachine having the same axis of rotation. An example of the arrangement of the reaction chamber, and the compressed air flow paths leaving the adiabatic compression stage, which is heated in the reaction chamber and then goes to the adiabatic expansion stage, is illustrated in FIG. 32, in which the combustion chamber (34) is of rotary type, such as a cyclone, and there are present the calocontactor, solid powdery, resident thanks to the effect of vortex, the air (2) and the CHON materials, especially pulverized solids, which consume there. The air, compressed by an SSCS consisting of a turbo compressor, not shown in FIG. 32 (longitudinal section on the left and cross section on the right), is introduced into the chamber (34) by a peripheral zone (53) and leaves the chamber (34) by a central zone (54), a chamber performing the function of centrifugal separator to confine the solids, denser. The heated air is then directed to an SSDS consisting of a turbine (not shown in Figure 32). This configuration can optionally be applied to a turboprop, or a ramjet. Example 5 - Variant 2. Oxygen reactants are alkali metal hydride XH or an alkali metal and X, and the calocontactor in the reaction chamber is the alkali metal hydroxide XOH formed at room temperature. the liquid state. The configuration is identical to that of Figure 30, but where it is alkali metal hydride, or alkali metal and water in the appropriate proportions, which are introduced into the chamber. A treatment or filtering of the air entering and / or leaving the SSDS can guarantee the absence of hydroxide. In such a configuration, the device produces a motor vehicle propulsion, including light, or alternatively, coupled to an alternator, an electric generator, without carbon dioxide emissions. Example 6. The arrangements are similar to those of Example 5, but with respect to the configuration of Example 5: air is the thermodynamic fluid and carries out an open thermodynamic cycle with recycle; the usable oxygen of the air is entirely consumed in the combustion chamber, in which the CHON fuels, when they are solid or pasty, may be introduced in fragmented form, optionally coarsely, and the combustion chamber may optionally not be contain calocontactor; 45 - as shown in Figure 33, the combustion air (2), instead of being discharged to the outside after the almost adiabatic expansion in the SSDS (6), flows in a SSSF (4) where, as illustrated in FIG. 16, it is cooled by a cold calocontactor during a plurality of phases 3, where optionally the calocontactor may vaporize in some of them, then be re-condensed in others, and where part of the air is discharged outside, to be replaced by outside fresh air, in such proportions that the quantity of oxygen present in the air entering the reaction chamber is equal to the amount necessary to generate the amount of primary heat required for the thermodynamic cycle; the fuels (38) are introduced by a suitable device (39) into the combustion chamber (34-1), which can be a solid fuel bed combustion chamber; when water is continuously accessible to the device, for example in the case of a vessel propelled by the device and method, the water can be used directly as a cold calocontactor; optionally, a fraction of the air containing oxygen and leaving the SSCS (8), may, via a switching device, in particular adjustable, bypass the reaction chamber and be re-mixed downstream, in particular in a secondary combustion chamber (34- 2) which can optionally contain a calocontactor, with the main flow of combustion air leaving the reaction chamber, and this in order to consume with oxygen carbon monoxide and / or pyrolysis or synthesis gases (such as that hydrocarbons, hydrogen ...) possibly contained in the combustion air, and to avoid the rejection to the atmosphere. In the optional bypass and second chamber configuration, operating conditions are set which limit any amounts of carbon monoxide and synthesis gas formed in the main combustion chamber (34-1), and where the amount of heat possibly released in the secondary chamber (34-2) is substantially less than that released in the chamber (34-1), unlike the cycles of the state of the techniques using the synthesis gas generation to operate a turbine gas. Example 7. In the configuration of this application example, illustrated in Figure 34, the air (2-1) performs a first cycle of Brayton, where it is adiabatically compressed in an SSCS-1 (8-1), introduced into a reaction chamber (34) where it performs a combustion of CHON materials, especially solid (38), optionally coarsely fragmented, introduced by the device (39), in the presence of a hot liquid circulator (1C), for example a salt or a mixture of molten salts, then the air relaxes in an SSDS-1 (6-1) and is discharged to the outside. Oxygen is in particular entirely consumed in combustion. The hot calocontactor is circulated in a mixer / exchanger / liquid gas countercurrent separator assembly (46), where it transfers its calories to the second thermodynamic fluid (2-2) which is also air, adiabatically compressed in an SSCS-2 (8-2) and which relaxes adiabatically in an SSDS •• 2 (6-2). Circulation of the hot air switch is ensured by liquid circulation pumps, in particular pressure increase and reduction pumps (45) and (44), in the case where the maximum pressures of the two Brayton cycles differ, and by pumps if they are identical. When optionally the reaction chamber is at atmospheric pressure, the SSCS-1 (8-1) then consists of a fluid transfer apparatus in the gaseous state and the SSDS-1 (6-1) disappears and the only motor cycle is that performed by the thermodynamic fluid (2-2). The SSSC (3), common to both cycles, consists of the reaction chamber where the combustion takes place, the equipment for introducing CHON materials, the equipment for discharging residues, the circuit for circulating the hot air heat exchanger. and the set of countercurrent separator / exchanger mixers The rotation speed of the SSCS-1 apparatus may be variable and adjusted to provide the oxygen supply required for the release of heat in the reaction chamber Optionally, when the maximum pressures of the two cycles of Brayton are identical, SSCS-1 (8-1) and SSDS-1 (6-1) are removed from the configuration of FIG. the air pipes (55-1) and (55-2) and an air routing device (57), which makes it possible to adjust the air flow, and hence the flow of oxygen, introduced into the combustion chamber (34), so that the amount of primary heat released is equal to the amount of heat necessary for the thermodynamic cycle.
RÉFÉRENCES REFERENCES
[1] JS. Bendat, AG. Piersol "Random Data: Analysis and Measurement Procedures" Wiley Interscience [2] J. Max "Méthodes et techniques de traitement du signal et applications aux mesures 15 physiques" Masson [3] E. Roubine "Introduction à la théorie de la communication" Masson&Cie [1] JS. Bendat, AG. Piersol "Random Data: Analysis and Measurement Procedures" Wiley Interscience [2] J. Max "Methods and Techniques of Signal Processing and Applications to Physical Measurements" Masson [3] E. Roubine "Introduction to the Theory of Communication" Masson & Cie
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
20 La figure 1 illustre un cycle thermodynamique rnonotherme à bilan net nul de travail et de chaleur, la figure 2 un cycle de Carnot, la figure 3 un cycle de Ericsson, la figure 4 l'approximation d'une détente isotherme par une succession de détentes adiabatiques et de réchauffages isobares. La figure 5 illustre un cycle de Brayton et la figure 6 un cycl e similaire, mais où la compression est isotherme. La figure 7 illustre l'évolution des 25 températures dans une compression étagée d'un fluide thermodynamique et d'un calocontacteur. La figure 8 illustre l'adaptation d'un appareil dynamique axial pour détendre ou comprimer un fluide thermodynamique avec un calocontacteur, de même la figure 9 dans le cas d'un appareil volumétrique à palettes, et de même la figure 10 dans le cas 30 d'un appareil à lobes. La figure 11 illustre un appareil mélangeur û échangeur û séparateur centrifuge à un vortex. La figure 12 présente une configuration de SSSC, les figures 13 à 20 des configurations de SSSF et la figure 21 une configuration de SSER. La figure 22 présente une configuration du dispositif réalisant un quasi cycle ce 35 Ericsson, de même la figure 23 pour un quasi cycle de Carnot, la figure 24 pour un cycle de Brayton, la figure 25 pour un cycle de Rankine û Hirn, la figure 26 pour un cycle similaire, mais où la détente adiabatique est précédée d'une détente quasi isotherme. La figure 27 présente une configuration du dispositif réalisant deux cycles thermodynamiques. Les figures 28 et 29 présentent deux configurations de SSSC' dans 40 un exemple d'application du dispositif à la géothermie et réalisant un cycle de Ericsson La figure 30 présente une configuration d'application du dispositif où il réalise un cycle de Brayton à combustion interne et consommation partielle de l'oxygène, la figure 31 illustre des configurations de chambre de combustion associées à cette application et ce même la figure 32 dans le cas d'un turboréacteur. La figure 33 présente une 45 configuration du dispositif pour une application similaire, mais où l'oxygène est entièrement consommé dans la chambre de réaction. La figure 34 illustre une configuration à combustion interne à deux cycles de Brayton et un calocontacteur chaud circulant entre les deux cycles. FIG. 1 illustrates a monothermal thermodynamic cycle with zero net working and heat balance, FIG. 2 a Carnot cycle, FIG. 3 an Ericsson cycle, FIG. 4 the approximation of an isothermal expansion by a succession of adiabatic relaxations and isobaric reheating. Figure 5 illustrates a Brayton cycle and Figure 6 a similar cycl e, but where the compression is isothermal. FIG. 7 illustrates the evolution of the temperatures in a staged compression of a thermodynamic fluid and a calocontactor. FIG. 8 illustrates the adaptation of a dynamic axial apparatus for relaxing or compressing a thermodynamic fluid with a calocontactor, as well as FIG. 9 in the case of a vane volumetric apparatus, and likewise FIG. 10 in the case of a device with lobes. Figure 11 illustrates a mixing apparatus - exchanger - vortex centrifugal separator. Fig. 12 shows a configuration of SSSC, Figs. 13 to 20 of SSSF configurations, and Fig. 21 a configuration of SSER. FIG. 22 shows a configuration of the device performing a quasi-cycle of this Ericsson, likewise FIG. 23 for a quasi-Carnot cycle, FIG. 24 for a Brayton cycle, FIG. 25 for a Rankine-Hirn cycle, FIG. 26 for a similar cycle, but where the adiabatic relaxation is preceded by an almost isothermal relaxation. Figure 27 shows a configuration of the device performing two thermodynamic cycles. FIGS. 28 and 29 show two configurations of SSSC 'in an example of application of the device to geothermal energy and performing an Ericsson cycle. FIG. 30 shows an application configuration of the device where it carries out an internal combustion Brayton cycle. and partial consumption of oxygen, Figure 31 illustrates combustion chamber configurations associated with this application and this even Figure 32 in the case of a turbojet. Fig. 33 shows a configuration of the device for a similar application, but where oxygen is completely consumed in the reaction chamber. Figure 34 illustrates a Brayton two-cycle internal combustion configuration and a hot calocontactor flowing between the two cycles.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |
Effective date: 20151130 |