FR2966203A1 - Stirling type thermodynamic device for autonomous heat pump, has chambers arranged on working liquid circuits, and shifter connected to lower parts of chambers so that each chamber is entirely filled with fluid when shifter is put in motion - Google Patents
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Abstract
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL GENERAL TECHNICAL FIELD
La présente invention concerne le domaine des machines thermiques telles que les moteurs à énergie externe de type Stirling. Plus précisément, elle concerne un dispositif thermodynamique amélioré de production mécanique et/ou de transfert de chaleur d'un milieu froid à un milieu chaud. The present invention relates to the field of thermal machines such as external energy engines Stirling type. More specifically, it relates to an improved thermodynamic device for mechanical production and / or heat transfer from a cold environment to a hot medium.
10 ETAT DE L'ART 10 STATE OF THE ART
Afin de produire un travail mécanique à partir de la chaleur fournie par la combustion d'un combustible, on dispose de moteurs thermiques. Ceux-ci se classent en deux grandes catégories : 15 - les moteurs à combustion interne : l'intérieur du moteur est le siège de la combustion et c'est l'expansion des gaz d'échappement qui produit le travail. Il s'agit des moteurs les plus répandus, lesquels équipent la quasi-totalité des véhicules de toutes les sortes sous des formes variées (moteurs à explosion, turboréacteurs, turbines à gaz, etc.), - les moteurs à combustion externe : la combustion se fait "en chaudière" extérieure au moteur, laquelle transmet sa chaleur au travers d'un échangeur ou d'une paroi étanche, à un gaz qui transformera l'énergie de chaleur en travail. On parle plus généralement de moteurs à énergie externe (ou tout simplement de « moteur externe ») quand la chaleur ne provient pas forcément d'une combustion (par exemple du soleil). In order to produce mechanical work from the heat provided by the combustion of a fuel, thermal engines are available. These fall into two broad categories: 15 - internal combustion engines: the inside of the engine is the seat of combustion and it is the expansion of the exhaust that produces the work. These are the most widespread engines, which equip almost all vehicles of all kinds in various forms (combustion engines, turbojet engines, gas turbines, etc.), - external combustion engines: combustion is done "in boiler" outside the engine, which transmits its heat through a heat exchanger or a sealed wall, to a gas that will transform the heat energy into work. More generally, we refer to motors with external energy (or simply "external motor") when the heat does not necessarily come from a combustion (for example from the sun).
30 L'avantage des moteurs externes est de pouvoir notamment utiliser tout type de source de chaleur, même chargée en poussière ou toute autre substance qui la rendrait inadaptée aux moteurs à combustion interne. 1 20 25 Mais surtout, ces moteurs affichent une consommation inférieure pour une puissance supérieure, ce qui les rend inégalés au niveau du rendement (avoisinant 40%). Dans cette dernière catégorie, les moteurs "Stirling" sont les plus connus. Ces moteurs ont pour fluide principal un gaz, circulant entre les deux chambres qui composent un moteur Stirling, et soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore (2H43H), détente isotherme (3H44H), refroidissement isochore (4H41 H) puis compression isotherme (1 H42H). Ce cycle est représenté sur la figure 1. The advantage of external motors is that they can use any type of heat source, even if it is loaded with dust or any other substance that makes it unsuitable for internal combustion engines. 1 20 25 But above all, these engines have lower fuel consumption for higher power, which makes them unsurpassed in terms of efficiency (around 40%). In this last category, the "Stirling" engines are the best known. These engines have a main gas, circulating between the two chambers that make up a Stirling engine, and subjected to a cycle comprising four phases: isochoric heating (2H43H), isothermal expansion (3H44H), isochoric cooling (4H41 H) and isothermal compression (1H42H). This cycle is represented in FIG.
Bien que le cycle suivi ne soit pas exactement celui "idéal" de Carnot (deux adiabatiques et deux isothermes), on a pu démontrer que son rendement pouvait être égal à celui "maximum" de Carnot qui vaut : Energie de chauffage Pour atteindre ce rendement maximum, il importe de disposer de ce que l'on appelle un "régénérateur", placé entre les deux chambres qui sont la chambre « chaude » d'expansion du gaz, en contact avec la source chaude, et la chambre « froide », de compression du gaz, en contact avec la source froide. En effet, d'une chambre à l'autre le gaz fait un va-et-vient à chaque cycle, et emporte avec lui de la chaleur de la chambre chaude vers la chambre froide en particulier lors de la phase de refroidissement isochore (4H41 H). Cette chaleur transportée est directement dissipée sans valorisation. Le régénérateur vise à empêcher ces pertes en emmagasinant la chaleur du gaz chaud qui le traverse lors de la phase de refroidissement (4H41 H), et la lui restitue en le traversant dans l'autre sens lors de la phase chauffage (2H43H). Un régénérateur doit remplir plusieurs fonctions contradictoires : - il doit être bon conducteur de chaleur dans le sens perpendiculaire 30 au passage du gaz, et isolant dans le sens de passage (en effet, il convient Travail produit _ Tehaude -Tfroide les températures étant en Kelvin. Tchaude de limiter le transfert de chaleur progressif de la chambre chaude vers la froide par conduction dans la structure solide du régénérateur), - il doit avoir une grande surface de contact avec le gaz de façon à absorber / restituer le maximum de chaleur à chaque passage alterné du gaz, mais aussi avoir le minimum de volume gazeux, volume dit "mort" car il ne participe pas aux cycles moteurs et dégrade la puissance mécanique développée par le gaz lors de sa détente, et est ainsi source de perte d'efficacité, et donc être très compact, ce qui entraine des pertes de charges importantes lors des passages alternés du gaz. Although the cycle followed is not exactly Carnot's "ideal" (two adiabatic and two isotherms), it has been shown that its yield could be equal to the "maximum" of Carnot which is worth: Heating energy To achieve this performance maximum, it is important to have what is called a "regenerator", placed between the two chambers which are the "hot" gas expansion chamber, in contact with the hot source, and the "cold" chamber, compression of the gas, in contact with the cold source. In fact, from one chamber to another, the gas reciprocates with each cycle, and carries with it heat from the hot chamber to the cold chamber, in particular during the isochoric cooling phase (4H41 H). This transported heat is directly dissipated without valorization. The regenerator aims to prevent these losses by storing the heat of the hot gas that passes through it during the cooling phase (4H41 H), and restores it by crossing it in the other direction during the heating phase (2H43H). A regenerator must fulfill several contradictory functions: it must be a good conductor of heat in the direction perpendicular to the passage of the gas, and insulating in the direction of passage (in fact, it is necessary to work produced _ Tehaude -Three the temperatures being in Kelvin It is a problem to limit the progressive heat transfer from the hot chamber to the cold by conduction in the solid structure of the regenerator), - it must have a large contact area with the gas so as to absorb / return the maximum amount of heat to each alternate passage of gas, but also have the minimum volume of gas, said volume "dead" because it does not participate in the engine cycles and degrades the mechanical power developed by the gas during its relaxation, and is thus a source of loss of efficiency , and therefore be very compact, which causes significant losses of charges during alternate passages of the gas.
Les régénérateurs connus utilisent par exemple des grilles métalliques, pour leur bonne capacité thermique, composées de fils de 40 microns d'épaisseur espacés d'un dixième de millimètre. Un tel régénérateur est typiquement composé à 80 % de gaz et à 20 % de la matrice solide, avec une efficacité de 75 %, mais sa fabrication reste chère. The known regenerators use, for example, metal grids, for their good heat capacity, composed of wires 40 microns thick spaced by a tenth of a millimeter. Such a regenerator is typically composed of 80% gas and 20% of the solid matrix, with an efficiency of 75%, but its manufacture remains expensive.
Les calculs montrent que pour obtenir le rendement idéal de Carnot il faut d'une part une absence de volumes morts, à savoir des zones (régénérateur, tuyaux, ...) d'interface entre les chambres où le gaz n'est pas soumis aux compressions / détentes isothermes (en particulier le gaz stagnant dans le régénérateur) ; et un d'autre part un régénérateur efficace à 100 %. En outre, les cycles Stirling ont souvent leurs pistons de travail et/ou leur déplaceur (un piston placé entre les deux chambres, et dont l'actionnement fait varier le volume d'une chambre par rapport à l'autre sans faire varier le volume total. Il est utilisé dans certains types de moteurs Stirling) entrainés par des vilebrequins en rotation, avec un déphasage entre eux (voir la figure 2, qui représente deux types connus de moteurs Stirling : le « alpha » avec deux pistons de travail, et le « beta » avec un piston de travail et un déplaceur). Ce faisant, on a une grande simplification de construction, et donc une baisse du coût d'investissement, mais alors il n'y a plus à proprement parler de phase isochore (le gaz suit un cycle thermodynamique qui "coupe" les angles du cycle idéal) et cela dégrade ses performances thermodynamiques. Calculations show that to obtain the ideal yield of Carnot it is necessary on the one hand an absence of dead volumes, namely areas (regenerator, pipes, ...) interface between the rooms where the gas is not subject isothermal compressions / detents (in particular stagnant gas in the regenerator); and on the other hand a 100% efficient regenerator. In addition, the Stirling cycles often have their working pistons and / or their displacer (a piston placed between the two chambers, and whose actuation varies the volume of one chamber relative to the other without varying the volume It is used in some types of Stirling engines) driven by crankshafts in rotation, with a phase shift between them (see Figure 2, which represents two known types of Stirling engines: the "alpha" with two working pistons, and the "beta" with a working piston and a displacer). In doing so, there is a great simplification of construction, and therefore a reduction in the investment cost, but then there is no longer strictly speaking isochoric phase (the gas follows a thermodynamic cycle which "cuts" the angles of the cycle ideal) and this degrades its thermodynamic performance.
Le rendement des moteurs Stirling reste donc à améliorer, mais de surcroit différents problèmes structurels empêchent leur réel développement commercial. The performance of Stirling engines remains to be improved, but in addition various structural problems prevent their real commercial development.
Tout d'abord, le chauffage du moteur se fait au travers d'une paroi qui contient le gaz de travail à des pressions importantes et cycliques. Les contraintes sont fortes à ce niveau, puisqu'on y cumule les fonctions de résistance mécanique et de bonne conductivité thermique. Les matériaux utilisés sont donc chers. First, the motor is heated through a wall that contains the working gas at high and cyclic pressures. The constraints are strong at this level, since one combines the functions of mechanical resistance and good thermal conductivity. The materials used are therefore expensive.
Ensuite le rapport "surface externe des chambres" / "volume du gaz" diminue physiquement au fur et à mesure que le moteur gagne en taille, et donc en puissance, ce qui limite la possibilité de réaliser efficacement des détentes et compressions pour de grandes puissances. Ces deux problèmes cantonnent jusqu'à présent la technologie Stirling aux applications de faible puissance. Then the ratio "external surface of the chambers" / "volume of the gas" decreases physically as the engine increases in size, and therefore in power, which limits the possibility of effectively performing detents and compressions for large powers . Both of these problems have so far restricted Stirling technology to low power applications.
Pour les corriger, on tend à travailler à des pressions élevées et avec un gaz comme l'hélium qui permet de délivrer plus de puissance mécanique à volume de moteur équivalent. Mais alors, on augmente les difficultés d'étanchéité au travers des joints du piston de travail. Le document EP0722073 propose de contourner le problème de la baisse du rapport "surface d'échange externe" / "volume de travail du gaz", par une pulvérisation d'un fluide liquide dans les chambres de travail. En chauffant (et refroidissant) par des échangeurs externes un liquide (généralement une huile minérale), et en le pulvérisant dans les chambres de travail, on parvient à avoir une très grande surface de transfert de chaleur avec le gaz, ce qui permet de faire grossir aisément le moteur. Cependant, cela ne résout pas le problème des pertes d'efficacité dues aux volumes morts, et pose une nouvelle difficulté qui est le risque d'encrassement progressif du régénérateur du à une évaporation du fluide qui vient se recondenser dans le régénérateur, plus froid. To correct them, we tend to work at high pressures and with a gas such as helium that delivers more mechanical power to equivalent engine volume. But then, one increases the difficulties of sealing through the joints of the working piston. Document EP0722073 proposes to circumvent the problem of lowering the ratio "external exchange surface" / "gas working volume", by spraying a liquid fluid in the working chambers. By heating (and cooling) by external exchangers a liquid (usually a mineral oil), and by spraying it in the working chambers, one manages to have a very large surface of heat transfer with the gas, which makes it possible to easily enlarge the motor. However, this does not solve the problem of loss of efficiency due to dead volumes, and poses a new difficulty which is the risk of progressive fouling of the regenerator due to evaporation of the fluid which is recondenser in the regenerator, colder.
En conséquence, les moteurs Stirling actuels sont encore à améliorer. As a result, the current Stirling engines are still to be improved.
PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à obtenir un dispositif thermodynamique de type Stirling présentant des performances supérieures à tout ce qui a déjà été proposé. Un but annexe de ce dispositif est de séparer les contraintes de 10 résistance mécanique et de conductivité thermique, et ainsi permettre des applications de forte puissance à coût raisonnable. Ce dispositif peut en outre fonctionner non seulement en moteur mais aussi en production de chaleur ou de froid. A cet effet, la présente invention se rapporte selon un premier aspect 15 à un dispositif thermodynamique comprenant deux chambres de volume variable, - une chambre étant disposée sur un circuit de fluide de travail liquide à un niveau de Haute Température (NT), et - une chambre étant disposée sur un circuit de fluide de travail liquide 20 à un niveau de Basse Température (BT), - les chambres étant en outre en communication via une conduite ; au moins deux pistons dont - au moins un piston de travail permettant la variation du volume de la chambre HT ou du volume de la chambre BT, et 25 - au moins un déplaceur permettant la variation simultanée des volumes des deux chambres à volume cumulé des chambres constant, - les pistons étant reliés mécaniquement de façon à faire varier cycliquement lesdits volumes ; 30 caractérisé en ce que - la partie basse de la chambre HT et la partie basse de la chambre BT sont occupées par le fluide de travail liquide, - la partie haute de la chambre HT et/ou la partie haute de la chambre BT sont occupées par un gaz de travail se déplaçant alternativement entre les chambres via la conduite, - le déplaceur est relié aux parties basses des chambres, le fluide de travail liquide agissant comme piston liquide lorsque le déplaceur est mis en mouvement, de sorte qu'au moins une fois par cycle chaque chambre soit entièrement remplie de fluide. PRESENTATION OF THE INVENTION The present invention aims at obtaining a thermodynamic device of the Stirling type presenting superior performance to all that has already been proposed. An ancillary purpose of this device is to separate the constraints of mechanical strength and thermal conductivity, and thus allow high power applications at reasonable cost. This device can also operate not only in motor but also in production of heat or cold. For this purpose, the present invention relates in a first aspect to a thermodynamic device comprising two chambers of variable volume, a chamber being disposed on a liquid working fluid circuit at a high temperature level (NT), and a chamber being disposed on a liquid working fluid circuit 20 at a low temperature level (BT), the chambers being further in communication via a conduit; at least two pistons including - at least one working piston allowing the variation of the volume of the HT chamber or the volume of the BT chamber, and 25 - at least one displacer allowing the simultaneous variation of the volumes of the two chambers with cumulated volume of the chambers constant, the pistons being mechanically connected so as to cyclically vary said volumes; Characterized in that - the lower part of the HT chamber and the lower part of the BT chamber are occupied by the liquid working fluid, - the upper part of the HT chamber and / or the upper part of the BT chamber are occupied. by a working gas moving alternately between the chambers via the pipe, - the displacer is connected to the lower parts of the chambers, the liquid working fluid acting as a liquid piston when the displacer is set in motion, so that at least one Once per cycle each chamber is fully filled with fluid.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - le dispositif comprend un second déplaceur, le second déplaceur balayant un volume égal au volume maximal de gaz moins le volume minimal de gaz sur un cycle ; - le dispositif comprenant deux pistons de travail, dont un piston de détente permettant la variation du volume de la chambre HT, et un piston de compression permettant la variation du volume de la chambre BT ; - au moins un piston de travail permettant la variation du volume d'une chambre est situé en partie haute de ladite chambre, lesdits pistons étant en contact avec le gaz de travail ; et une structure solide est suspendue sous ledit piston de travail, ladite structure solide s'étendant en direction de la partie basse de ladite chambre. - au moins un piston de travail permettant la variation du volume d'une chambre est situé en partie basse de ladite chambre, lesdits pistons étant en contact avec le fluide liquide de travail ; et une structure solide est fixe dans la partie haute de ladite chambre, ladite structure solide s'étendant en direction de la partie basse de ladite chambre. - Le dispositif comprend en outre un régénérateur disposé sur la conduite ; - le déplaceur balaie un volume égal au volume minimal de gaz sur un cycle, plus le volume gazeux du régénérateur ; - un circuit de fluide de travail liquide relie successivement un premier coté du déplaceur, le régénérateur, et un second coté du déplaceur ; - le régénérateur comprend en sa partie supérieure une pluralité de chambres successives séparées par des parois poreuses limitant le passage d'un liquide mais pas d'un gaz, lesdites chambres comprenant une matrice solide de stockage thermique, la conduite étant connectée à la partie haute du régénérateur, et le circuit étant connecté à la partie basse du régénérateur ; - le régénérateur comprend une paroi supérieure, ladite paroi supérieure coïncidant sensiblement avec le niveau maximal du fluide liquide de travail sur un cycle ; - les pistons de détente et/ou de compression sont reliés par un vilebrequin effectuant deux tours par cycle ; - le piston de détente et/ou le piston de détente sont solidaires du vilebrequin pendant une partie seulement du cycle ; - le dispositif est adapté à une production de travail mécanique, comprend en outre des moyens de valorisation de travail mécanique, des moyens de captage de chaleur, des moyens de dissipation de chaleur, caractérisé en ce que : - les moyens de valorisation de travail mécanique sont reliés avec les pistons ; - les moyens de captage de chaleur sont en prise avec le circuit HT ; et - les moyens de dissipation de chaleur sont en prise avec le circuit BT. - le dispositif est adapté à une production de froid, comprend en outre des moyens d'apport de travail mécanique, des moyens de valorisation de froid, des moyens de dissipation de chaleur, caractérisé en ce que : - les moyens d'apport de travail mécanique sont reliés avec les pistons; - les moyens de valorisation de froid sont en prise avec le circuit HT ; et - les moyens de dissipation de chaleur sont en prise avec le circuit BT. - le dispositif est adapté à une production de chaleur, comprend en outre des moyens d'apport de travail mécanique, des moyens de valorisation de chaleur, des moyens de captage de chaleur, caractérisé en ce que : - les moyens d'apport de travail mécanique sont reliés avec les pistons; - les moyens de captage de chaleur sont en prise avec le circuit HT ; et - les moyens de valorisation de chaleur sont en prise avec le circuit BT. According to other advantageous and nonlimiting features: the device comprises a second displacer, the second displacer sweeping a volume equal to the maximum volume of gas minus the minimum volume of gas on a cycle; - The device comprising two working pistons, including an expansion piston for varying the volume of the HT chamber, and a compression piston for varying the volume of the BT chamber; - At least one working piston for varying the volume of a chamber is located in the upper part of said chamber, said pistons being in contact with the working gas; and a solid structure is suspended under said working piston, said solid structure extending towards the lower part of said chamber. - At least one working piston for varying the volume of a chamber is located in the lower part of said chamber, said pistons being in contact with the liquid working fluid; and a solid structure is fixed in the upper part of said chamber, said solid structure extending towards the lower part of said chamber. - The device further comprises a regenerator disposed on the pipe; the displacer sweeps a volume equal to the minimum volume of gas on one cycle, plus the gaseous volume of the regenerator; - A liquid working fluid circuit successively connects a first side of the displacer, the regenerator, and a second side of the displacer; the regenerator comprises in its upper part a plurality of successive chambers separated by porous walls limiting the passage of a liquid but not a gas, said chambers comprising a solid matrix of thermal storage, the pipe being connected to the upper part regenerator, and the circuit being connected to the lower part of the regenerator; the regenerator comprises an upper wall, said upper wall substantially coinciding with the maximum level of the working fluid on a cycle; the expansion and / or compression pistons are connected by a crankshaft performing two turns per cycle; - The expansion piston and / or the expansion piston are integral with the crankshaft for only part of the cycle; - The device is adapted to a production of mechanical work, further comprises mechanical work recovery means, heat sensing means, heat dissipation means, characterized in that: - the mechanical work recovery means are connected with the pistons; - The heat sensing means are engaged with the HT circuit; and the heat dissipation means are in engagement with the LV circuit. - The device is adapted to cold production, further comprises means for supplying mechanical work, cold recovery means, heat dissipation means, characterized in that: - the means of supply of work mechanical are connected with the pistons; - The cold recovery means are engaged with the HT circuit; and the heat dissipation means are in engagement with the LV circuit. - The device is adapted to heat production, further comprises means for supplying mechanical work, heat recovery means, heat sensing means, characterized in that: - the means of supply of work mechanical are connected with the pistons; - The heat sensing means are engaged with the HT circuit; and the heat recovery means are in engagement with the LV circuit.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose une pompe à chaleur autonome, comprenant un premier dispositif thermodynamique selon le premier aspect de l'invention adapté à une production de travail mécanique, et un second dispositif thermodynamique selon le premier aspect de l'invention à une production de froid ou de chaleur, caractérisé en ce que le travail mécanique nécessaire au second dispositif thermodynamique est fourni par le premier dispositif thermodynamique. According to a second aspect, the invention proposes an autonomous heat pump, comprising a first thermodynamic device according to the first aspect of the invention adapted to a production of mechanical work, and a second thermodynamic device according to the first aspect of the invention to a production of cold or heat, characterized in that the mechanical work necessary for the second thermodynamic device is provided by the first thermodynamic device.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de transfert thermique suivant un cycle thermodynamique dit « Stirling », mis en oeuvre par un dispositif selon le premier aspect de l'invention, comprenant des phases successives de : - premier transfert isochore intégral du gaz de travail, de la chambre HT à la chambre BT ; - compression isotherme du gaz de travail occupant la chambre BT ; - deuxième transfert isochore intégral du gaz de travail, de la chambre BT à la chambre HT ; - détente isotherme du gaz de travail occupant la chambre HT. According to a third aspect, the invention proposes a thermal transfer method according to a thermodynamic cycle called "Stirling", implemented by a device according to the first aspect of the invention, comprising successive phases of: - first complete isochoric transfer of the working gas, from the HT chamber to the BT chamber; - Isothermal compression of the working gas occupying the BT chamber; second complete isochoric transfer of the working gas, from the BT chamber to the HT chamber; - Isothermal expansion of the working gas occupying the HT chamber.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - les quatre phases du cycle ont la même durée ; - le piston de détente et/ou de compression sont désolidarisés du vilebrequin et immobilisés en position basse durant la phase de transfert isochore qui suit la phase de compression isotherme du gaz ; - le régénérateur est rempli de fluide liquide durant les phases de détente isotherme et de compression isotherme ; - le déplaceur change de position au début de chaque phase de transfert isochore pour vider le fluide liquide contenu dans le régénérateur via le circuit ; - un système de pompage liquide permettant de déplacer le fluide de travail liquide dans les circuits est activé pendant chaque phase de transfert isochore. According to other advantageous and non-limiting characteristics: the four phases of the cycle have the same duration; - The expansion piston and / or compression are separated from the crankshaft and immobilized in the low position during the isochoric transfer phase following the isothermal compression phase of the gas; the regenerator is filled with liquid fluid during the isothermal expansion and isothermal compression phases; - The displacer changes position at the beginning of each isochoric transfer phase to empty the liquid fluid contained in the regenerator via the circuit; - A liquid pumping system for moving the liquid working fluid in the circuits is activated during each isochoric transfer phase.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 précédemment décrite est une représentation d'un cycle Stirling ; - la figure 2 précédemment décrite est un schéma de deux types connus de moteur Stirling ; - la figure 3 est un schéma d'un mode de réalisation du dispositif thermodynamique selon l'invention ; - la figure 4 est un schéma d'un autre mode de réalisation du dispositif thermodynamique selon l'invention ; - les figures 5a-h sont des schémas des états successifs suivant un cycle Stirling d'un mode de réalisation particulièrement préféré du dispositif thermodynamique selon l'invention ; - les figures 6a-b sont des schémas d'un régénérateur utilisé dans un mode de réalisation avantageux du dispositif thermodynamique selon l'invention. PRESENTATION OF THE FIGURES Other features and advantages of the present invention will appear on reading the description which follows of a preferred embodiment. This description will be given with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 previously described is a representation of a Stirling cycle; - Figure 2 previously described is a diagram of two known types of Stirling engine; FIG. 3 is a diagram of one embodiment of the thermodynamic device according to the invention; FIG. 4 is a diagram of another embodiment of the thermodynamic device according to the invention; FIGS. 5a-h are diagrams of the successive states according to a Stirling cycle of a particularly preferred embodiment of the thermodynamic device according to the invention; FIGS. 6a-b are diagrams of a regenerator used in an advantageous embodiment of the thermodynamic device according to the invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DETAILED DESCRIPTION
Architecture générale 5 En référence à la figure 3, un dispositif thermodynamique selon l'invention comprend deux chambres 12. Ces deux chambres 12 ont un volume variable, c'est-à-dire que l'une de leurs parois est un élément mobile, en particulier la tête d'un piston 14. Le volume de chaque chambre 10 12 peut varier d'un volume minimal à un volume maximal, ces volumes étant adaptés aux utilisations prévues de la pompe, et des volumes préférés seront décrits plus loin. Les deux chambres sont reliées par une conduite 11. Cette conduite est un élément caractéristique des moteurs Stirling, et est visible sur les 15 moteurs de la figure 2. Les deux chambres peuvent éventuellement être accolées, comme dans le dispositif représenté sur la figure 3, et en ce cas la conduite 11 est réduite à un orifice reliant les chambres 12. Ces deux chambres 12 sont à des niveaux d'énergie différents. La première, identifiée sous la référence 12a et dite Haute 20 Température (HT) est destinée à récupérer l'énergie d'une source chaude, ce via un circuit 13a de fluide de travail liquide à un niveau de Haute Température. Ce circuit 13a permet le transfert efficace de chaleur depuis une source chaude vers l'intérieur, les échanges thermiques avec un fluide étant en effet bien plus efficaces qu'avec un gaz. Ce fluide de travail liquide 25 est par exemple de l'eau ou une huile minérale, et avantageusement tout fluide caloporteur connu de l'homme du métier pour ses bonnes propriétés thermiques. On notera que l'on peut utiliser des bruleurs immergés (à savoir par exemple des tubes en "u" immergés dans le fluide liquide chaud, et dans lequel circulent les fumées chaudes produites par la combustion 30 externe au moteur de gaz naturel, bois, charbon...) comme source chaude. Dans ce cas, le circuit 13a est entièrement à l'intérieur de la chambre 12a. 10 La seconde chambre 12b, dite Basse Température (BT) permet la dissipation de chaleur vers une source froide, ce via un second circuit 13b, cette fois un circuit de fluide de travail liquide à un niveau de Basse Température. Le fluide de travail liquide circulant dans ce circuit 13b est avantageusement le même que celui circulant dans le circuit 13a, mais il est tout à fait possible d'employer deux fluides différents. On notera que le niveau HT n'est pas forcément un niveau de température supérieur au niveau BT, même si c'est généralement le cas. En particulier, dans une utilisation du dispositif selon l'invention en pompe à chaleur (production de chaleur ou de froid), la source chaude est plus froide que la source froide, et ainsi la chambre 12a HT est plus froide que la chambre 12b BT. Cette utilisation sera décrite en détail par la suite. Toutefois, même dans ces cas de niveaux de température inversés, la chambre 12a HT sera toujours chauffée par la source chaude, et la chambre 12b BT refroidie par la source froide. General architecture With reference to FIG. 3, a thermodynamic device according to the invention comprises two chambers 12. These two chambers 12 have a variable volume, that is to say that one of their walls is a movable element, In particular, the head of a piston 14. The volume of each chamber 12 may vary from a minimum volume to a maximum volume, these volumes being adapted to the intended uses of the pump, and preferred volumes will be described later. The two chambers are connected by a pipe 11. This pipe is a characteristic element of the Stirling engines, and is visible on the motors of FIG. 2. The two chambers may optionally be contiguous, as in the device represented in FIG. and in this case the pipe 11 is reduced to an orifice connecting the chambers 12. These two chambers 12 are at different energy levels. The first, identified under the reference 12a and said High Temperature (HT) is intended to recover the energy of a hot source, via a circuit 13a of liquid working fluid at a high temperature level. This circuit 13a allows the effective transfer of heat from a hot source to the inside, the heat exchange with a fluid being indeed much more efficient than with a gas. This liquid working fluid 25 is for example water or a mineral oil, and preferably any coolant known to those skilled in the art for its good thermal properties. It should be noted that submerged burners (ie for example "u" tubes immersed in the hot liquid fluid and in which the hot fumes produced by the external combustion to the engine of natural gas, wood, coal ...) as a hot spring. In this case, the circuit 13a is entirely inside the chamber 12a. The second chamber 12b, called low temperature (BT) allows the heat dissipation to a cold source, via a second circuit 13b, this time a liquid working fluid circuit at a low temperature level. The liquid working fluid circulating in this circuit 13b is advantageously the same as that flowing in the circuit 13a, but it is quite possible to use two different fluids. It should be noted that the HV level is not necessarily a temperature level higher than the LV level, although this is generally the case. In particular, in a use of the device according to the invention in a heat pump (production of heat or cold), the hot source is colder than the cold source, and thus the chamber 12a HT is colder than the chamber 12b BT . This use will be described in detail later. However, even in these cases of inverted temperature levels, the chamber 12a HT will still be heated by the hot source, and the chamber 12b BT cooled by the cold source.
Les pistons solides Solid pistons
Le dispositif 10 comprend au moins deux pistons 14, permettant chacun la variation du volume Va de la chambre 12a HT et/ou le volume Vb de la chambre 12b BT. On définit par Vtota, le volume cumulé des chambres 12a HT et 12b BT, Vtotai = Va + Vb. Sachant qu'un piston 14 ne peut faire varier que deux volumes parmi Va, Vb et Vtotab on choisira les au moins deux pistons 14 différents de façon à pouvoir faire varier les trois volumes. The device 10 comprises at least two pistons 14, each allowing the variation of the volume Va of the chamber 12a HT and / or the volume Vb of the chamber 12b BT. Vtota defines the cumulative volume of the chambers 12a HT and 12b BT, Vtotai = Va + Vb. Knowing that a piston 14 can vary only two volumes among Va, Vb and Vtotab one will choose at least two different pistons 14 so as to vary the three volumes.
En particulier, on prendra au moins un déplaceur 14c, c'est-à-dire comme expliqué précédemment un piston permettant la variation simultanée des volumes Va, Vb des deux chambres 12a, 12b à volume Vtota, constant, et au moins un piston 14a ou 14b dit « de travail », c'est-à-dire un piston en interface entre l'une des chambres 12 et l'extérieur, et permettant donc un transfert d'énergie mécanique avec l'extérieur, ce piston de travail pouvant notamment être : - soit un piston de détente 14a, c'est-à-dire un piston adapté à récupérer de l'énergie mécanique quand Va augmente. Un tel piston 14a n'a pas d'influence sur Vb et permet donc la variation de Vtota, simultanée avec la variation de Va. - soit un piston de compression 14b, c'est-à-dire un piston adapté à réduire Vb en consommant de l'énergie mécanique. Un tel piston 14b n'a pas d'influence sur Va et permet donc la variation de Vtota, simultanée avec la variation de Vb. Avantageusement, le dispositif 10 comprendra chacun des deux types de piston de travail 14a et 14b. In particular, it will take at least one displacer 14c, that is to say as explained above a piston for the simultaneous variation of the volumes Va, Vb of the two chambers 12a, 12b constant volume Vtota, and at least one piston 14a or 14b said "work", that is to say a piston interface between one of the chambers 12 and outside, and thus allowing a transfer of mechanical energy with the outside, this working piston can in particular be: - either a trigger piston 14a, that is to say a piston adapted to recover mechanical energy when Va increases. Such a piston 14a has no influence on Vb and thus allows the variation of Vtota, simultaneous with the variation of Va. - Or a compression piston 14b, that is to say a piston adapted to reduce Vb by consuming mechanical energy. Such a piston 14b has no influence on Va and thus allows the variation of Vtota, simultaneous with the variation of Vb. Advantageously, the device 10 will comprise each of the two types of working piston 14a and 14b.
A titre d'exemple, dans le dispositif 10 représenté par la figure 3 on trouve un déplaceur 14c, et un piston de travail 14b qui joue le rôle de piston de compression lorsqu'il est utilisé seul, mais qui joue également le rôle de piston de détente 14a lorsqu'il est utilisé de façon coordonnée avec le déplaceur 14c (la puissance mécanique de la détente du gaz dans la chambre 12a est alors transmise via le déplaceur 14c et le fluide de travail liquide de la chambre 12b BT, mais sans variation du volume Vb de la chambre 12b BT). For example, in the device 10 shown in Figure 3 there is a displacer 14c, and a working piston 14b which acts as a compression piston when used alone, but which also plays the role of piston 14a when it is used in a coordinated manner with the displacer 14c (the mechanical power of the expansion of the gas in the chamber 12a is then transmitted via the displacer 14c and the liquid working fluid of the chamber 12b BT, but without variation volume Vb of the chamber 12b BT).
Le dispositif représenté sur la figure 4 comprend avantageusement un second déplaceur 14d, qui joue à part entière le rôle de piston de détente 14a (en coopération avec le piston de compression 14b), le premier déplaceur 14c n'ayant pas besoin d'intervenir dans des phases de compression ou de détente du cycle. Pour cela, avantageusement le déplaceur 14d balaie un volume Vdepl(d) égal au volume maximal de gaz Vmax moins le volume minimal de gaz Vmin sur un cycle, c'est-à-dire le volume correspondant à une détente ou une compression complète. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, représenté sur la figure 5a, le dispositif 10 comprend un piston de détente 14a, un piston de détente 14b, et un déplaceur 14c. Il n'est pas exclu d'ajouter davantage de pistons 14. The device represented in FIG. 4 advantageously comprises a second displacer 14d, which plays the full role of the expansion piston 14a (in cooperation with the compression piston 14b), the first displacer 14c having no need to intervene in compression or relaxation phases of the cycle. For this, advantageously the displacer 14d scans a volume Vdepl (d) equal to the maximum gas volume Vmax minus the minimum volume of gas Vmin on a cycle, that is to say the volume corresponding to a relaxation or a complete compression. In a particularly preferred embodiment, shown in Figure 5a, the device 10 comprises an expansion piston 14a, a trigger piston 14b, and a displacer 14c. It is not excluded to add more pistons 14.
Les pistons 14 sont reliés mécaniquement de façon à faire varier cycliquement chacun de ces volumes, par exemple via un ou plusieurs vilebrequins 18 et divers liens mécaniques, comme l'on voit sur la figure 4. The pistons 14 are mechanically connected so as to vary each of these volumes cyclically, for example via one or more crankshafts 18 and various mechanical links, as can be seen in FIG. 4.
Les pistons liquides Liquid pistons
Le dispositif 10 est un dispositif de type Stirling. Comme expliqué précédemment, il contient donc un gaz de travail, lequel sera soumis au cycle à quatre phases mentionné. Toutefois, dans le cas du dispositif 10 selon l'invention, le gaz de travail n'occupe jamais la totalité de l'une des chambres 12a et 12b, mais au mieux la partie haute 122a ou 122b respectivement de la chambre 12a HT ou de la chambre 12b BT, se déplaçant alternativement de l'une à l'autre via la conduite 11. En effet le reste des chambres, en l'occurrence la partie basse 121a de la chambre 12a HT et la partie basse 121b de la chambre 12b BT sont occupées par le fluide de travail liquide, comme l'on voit sur l'une des figures 3, 4 ou 5. On notera que la notion de parties basse et haute est définie par rapport à un axe vertical, la gravité faisant que le fluide se trouve en dessous du gaz. On rappelle que les fluides de travail liquide sont incompressibles, et que les variations de volume des chambres sont liées à des variations de volume des gaz qui se compriment ou se détendent. The device 10 is a Stirling type device. As previously explained, it therefore contains a working gas, which will be subjected to the mentioned four-phase cycle. However, in the case of the device 10 according to the invention, the working gas never occupies all of one of the chambers 12a and 12b, but at best the upper part 122a or 122b respectively of the chamber 12a HT or the chamber 12b BT, moving alternately from one to the other via the pipe 11. Indeed the rest of the rooms, in this case the lower part 121a of the chamber 12a HT and the lower part 121b of the chamber 12b BT are occupied by the liquid working fluid, as can be seen in one of FIGS. 3, 4 or 5. It will be noted that the notion of low and high parts is defined with respect to a vertical axis, the gravity being that the fluid is below the gas. It is recalled that the liquid working fluids are incompressible, and that the volume variations of the chambers are related to variations in the volume of the gases that compress or relax.
Ce fluide de travail liquide, en plus de jouer le rôle de bon conducteur thermique, va jouer le rôle de piston liquide. This liquid working fluid, in addition to playing the role of good thermal conductor, will play the role of liquid piston.
A cet effet, le déplaceur 14c est relié aux parties basses 121a, 121b des deux chambres 12a et 12b. Il est donc au contact du fluide de travail (c'est pourquoi il présente avantageusement de bonnes caractéristiques d'isolant thermique afin d'éviter des transferts de chaleur par conduction entre les deux chambres 12a, 12b), et entraîne le déplacement des colonnes de fluide lorsqu'il est mis en mouvement. Par exemple, en référence à la figure 3, le déplacement du déplaceur 14c vers la gauche depuis la position à laquelle il est représenté entraîne la montée du niveau de fluide dans la chambre 12a HT et sa baisse dans le chambre 12b BT, et le transfert subséquent du gaz de la chambre 12a HT à la chambre 12b BT. A l'instar d'un piston de travail 14a ou 14b, un piston liquide peut compresser ou détendre le gaz, et présente en plus l'avantage de n'être pas limité par des questions de géométrie, à la manière d'un piston qui se déformerait en progressant dans la chambre puis la tuyauterie : lorsque le piston liquide a entièrement expulsé le gaz d'une chambre (la chambre 12a HT dans notre exemple), le fluide entre dans la canalisation 11 et y continue son rôle de piston liquide. En continuant ce transfert jusqu'à purger complètement la canalisation 11, il est possible de transférer la quasi intégralité du gaz dans la seconde chambre (12b BT dans notre exemple). Ainsi, au moins une fois par cycle, et même avantageusement plusieurs fois (en particulier deux fois : à la fin de chaque phase isochore, c'est-à-dire aux points 1H et 3H), chaque chambres 12a, 12b est remplie de fluide, c'est-à-dire qu'au moins une fois par cycle le fluide remplit entièrement une chambre ainsi que la canalisation 11, et ainsi le gaz est contenu dans une seule chambre. C'est notamment le cas par exemple pour le dispositif dans l'état où il est représenté sur la figure 5e. Le gaz est donc contraint de faire un aller-retour complet d'une chambre à l'autre lors d'un cycle, et ne peut stagner dans la canalisation 11 : le problème du volume mort, que l'on voit particulièrement sur les dispositifs d'art antérieur représentés sur la figure 2, est ainsi résolu, quant bien même la canalisation 11 comprendrait un régénérateur 15: au moins une fois par cycle le régénérateur est rempli de fluide liquide. Ce mode de réalisation sera décrit plus bas. For this purpose, the displacer 14c is connected to the lower parts 121a, 121b of the two chambers 12a and 12b. It is therefore in contact with the working fluid (that is why it advantageously has good thermal insulation characteristics in order to prevent heat transfer by conduction between the two chambers 12a, 12b), and causes the displacement of the columns of fluid when set in motion. For example, with reference to FIG. 3, the displacement of the displacer 14c to the left from the position at which it is represented causes the level of fluid to rise in the chamber 12a HT and its decrease in the chamber 12b BT, and the transfer subsequent gas from the chamber 12a HT to the chamber 12b BT. Like a working piston 14a or 14b, a liquid piston can compress or relax the gas, and has the additional advantage of not being limited by geometry issues, in the manner of a piston which would deform while progressing in the chamber then the pipework: when the liquid piston has completely expelled the gas from a chamber (the chamber 12a HT in our example), the fluid enters the pipe 11 and continues its role of liquid piston . By continuing this transfer until purge completely the pipe 11, it is possible to transfer almost all the gas in the second chamber (12b BT in our example). Thus, at least once per cycle, and even advantageously several times (in particular twice: at the end of each isochoric phase, that is to say at the points 1H and 3H), each chamber 12a, 12b is filled with fluid, that is to say that at least once per cycle the fluid completely fills a chamber and the pipe 11, and thus the gas is contained in a single chamber. This is particularly the case for example for the device in the state where it is shown in Figure 5e. The gas is therefore forced to make a complete round trip from one chamber to another during a cycle, and can not stagnate in the pipe 11: the problem of dead volume, which is seen particularly on the devices Prior art shown in Figure 2, is thus solved, even though the pipe 11 would include a regenerator 15: at least once per cycle the regenerator is filled with liquid fluid. This embodiment will be described below.
Les pistons de travail 14a, 14b peuvent être placés n'importe où dans leur chambre 12, le piston liquide s'accommodant de toute géométrie. Par exemple, dans le dispositif 10 représenté sur la figure 3, le piston de compression 14b est disposé en partie basse 121b de la chambre 12b BT, en face du déplaceur 14c avec lequel il va coopérer facilement. Mais pour améliorer avantageusement l'efficacité et complémentarité des pistons solides et liquides dans le cas d'un dispositif à trois types de pistons 14 (comme représenté sur la figure 5a), le piston de détente 14a est situé en partie haute 122a de la chambre 12a HT et le piston de compression 14b est situé en partie haute 122b de la chambre 12b BT, les pistons 14a, 14b étant en contact avec le gaz de travail. Cette architecture permet l'application de contraintes mécaniques au gaz et par le gaz à la fois par au-dessus (piston solide) et en dessous (piston liquide), pour un rendement mécanique maximal puisque les pistons de travail n'ont pas besoin de transmettre d'abord leur énergie au piston liquide pour la transmettre au gaz, et vice versa. Cela est particulièrement intéressant lors de la phase de détente isotherme (3H44H), qui est la phase motrice du cycle. The working pistons 14a, 14b can be placed anywhere in their chamber 12, the liquid piston accommodating any geometry. For example, in the device 10 shown in Figure 3, the compression piston 14b is disposed in the lower part 121b of the chamber 12b BT, opposite the displacer 14c with which it will cooperate easily. But to advantageously improve the efficiency and complementarity of the solid and liquid pistons in the case of a device with three types of pistons 14 (as shown in Figure 5a), the expansion piston 14a is located in the upper part 122a of the chamber 12a HT and the compression piston 14b is located in the upper part 122b of the chamber 12b BT, the pistons 14a, 14b being in contact with the working gas. This architecture allows the application of mechanical stresses to the gas and the gas both from above (solid piston) and below (liquid piston), for maximum mechanical efficiency since the working pistons do not need to first transmit their energy to the liquid piston to transmit it to the gas, and vice versa. This is particularly interesting during the isothermal relaxation phase (3H44H), which is the driving phase of the cycle.
Les transferts de chaleur entre le gaz et le fluide liquide de chaque chambre 12a, 12b peuvent se faire selon différents principes connus, l'invention n'étant limitée à aucun d'entre eux. On notera par exemple le ruissellement du liquide sur un garnissage fixe à l'intérieur de chaque chambre 12a, 12b, ou la pulvérisation du liquide en fines gouttelettes dans les chambres 12a et 12b. Plus avantageusement, une ou plusieurs structures solides 140a, 140b, avantageusement bonnes conductrices de chaleur, sont suspendues sous le ou les pistons de travail 14a, 14b, comme on le voit par exemple sur la figure 5a, lesdites structures solides 140a, 140b s'étendent en direction des parties basses 121a, 121b des chambres 12a et/ou 12b dans lesquelles le ou les pistons 14a, 14b sont respectivement situés. Il s'agit par exemples de barres métalliques, qui traversent les parties hautes 122a, 122b des chambres 12a, 12b, et plongent dans le fluide à chaque fois que le gaz de la chambre est comprimé et/ou que le piston liquide remonte. Ces structures 140a, 140b augmentent sensiblement la surface de contact entre le gaz et le fluide liquide. Dans le cas où une chambre ne présente pas de piston de travail (par exemple la chambre 12b du dispositif 10 représenté sur la figure 4), on peut encore utiliser ces structures 140, lesquelles se fixent au ciel de la chambre et remplissent les même fonctions. The heat transfer between the gas and the liquid fluid of each chamber 12a, 12b can be done according to various known principles, the invention being not limited to any of them. For example, the streaming of the liquid on a fixed lining inside each chamber 12a, 12b, or the spraying of the liquid into fine droplets in the chambers 12a and 12b. More advantageously, one or more solid structures 140a, 140b, which are advantageously good heat conductors, are suspended under the working piston or pistons 14a, 14b, as can be seen for example in FIG. 5a, said solid structures 140a, 140b being extend towards the lower parts 121a, 121b of the chambers 12a and / or 12b in which the piston or pistons 14a, 14b are respectively located. These are for example metal bars, which pass through the upper portions 122a, 122b of the chambers 12a, 12b, and dive into the fluid each time the gas of the chamber is compressed and / or that the liquid piston rises. These structures 140a, 140b substantially increase the contact area between the gas and the liquid fluid. In the case where a chamber does not have a working piston (for example the chamber 12b of the device 10 shown in FIG. 4), it is still possible to use these structures 140, which are fixed to the sky of the chamber and perform the same functions .
Régénérateur innovant Avantageusement, comme mentionné précédemment, le dispositif 10 selon l'invention comprend en outre un régénérateur 15 disposé sur la conduite 11, lequel permet de limiter le passage de chaleur de la chambre 12a HT vers la chambre 12b BT lors des déplacements du gaz dans la conduite 11. Ce régénérateur 15 peut faire l'objet de tous les modes de réalisation connus, notamment l'utilisation d'une matrice métallique avec une forte inertie thermique comme représentée sur la figure 3. En traversant cette matrice, le gaz chaud venant de la chambre 12a HT lui transfère sa chaleur. Si elle est choisie avec une inertie thermique suffisamment forte, cet échange fait chuter la température du gaz, et légèrement monter celle de la matrice. Lors du retour depuis la chambre 12b BT vers la chambre 12a HT, le gaz à présent comprimé récupère cette chaleur stockée dans la matrice et se réchauffe. La présence d'un régénérateur 15 est ici rendue compatible avec les pistons liquides. Le fluide liquide peut le traverser aussi bien que le gaz, la course du déplaceur 14c doit simplement être adaptée pour qu'au moins une fois par cycle le régénérateur 15 soit rempli de fluide liquide. Avantageusement, le déplaceur 14c balaie en l'occurrence un volume Vdepi(c) égal au volume minimal de gaz Vmin sur un cycle, plus le volume gazeux du régénérateur Vregen (ce volume étant égal au volume interne du régénérateur 15, moins le volume de la matrice solide). Ainsi une course du déplaceur 14c permet exactement un transfert intégral du gaz comprimé d'une chambre à l'autre lors de l'étape de chauffage isochore (2H43H), le régénérateur 15 étant successivement rempli de fluide liquide, puis de gaz, puis à nouveau de fluide liquide pendant ce transfert. On remarque en outre que si l'utilisation d'un piston liquide pour chasser le gaz du régénérateur 15 est très efficace, l'utilisation d'un « piston gazeux » pour chasser le fluide lors du retour du gaz (par exemple au début du refroidissement isochore 4H41 H) l'est moins. Pour contrer ce problème, avantageusement un circuit supplémentaire 16 de fluide de travail liquide relie successivement un premier coté du déplaceur 14c, le régénérateur 15, et un second coté du déplaceur 14c. Grâce à ce circuit 16, le déplacement du déplaceur 14c provoque en premier lieu l'aspiration du fluide liquide remplissant le régénérateur et son remplacement par le gaz. Les deux branches de ce circuit 16, partant de part et d'autre du régénérateur 15, peuvent être équipées de vannes configurées pour ne pas être ouvertes simultanément afin d'empêcher que du fluide puisse passer d'une chambre à l'autre en contournant le déplaceur 14c. Innovative regenerator Advantageously, as mentioned above, the device 10 according to the invention further comprises a regenerator 15 disposed on the pipe 11, which limits the heat transfer from the chamber 12a HT to the chamber 12b BT during the displacements of the gas in the pipe 11. This regenerator 15 may be the subject of all the known embodiments, in particular the use of a metal matrix with a high thermal inertia as shown in FIG. 3. While traversing this matrix, the hot gas coming from the room 12a HT transfers its heat. If it is chosen with a sufficiently high thermal inertia, this exchange lowers the temperature of the gas, and slightly increase that of the matrix. During the return from the chamber 12b BT to the chamber 12a HT, the now compressed gas recovers this heat stored in the matrix and heats up. The presence of a regenerator 15 is here made compatible with the liquid pistons. The liquid fluid can pass through it as well as the gas, the stroke of the displacer 14c must simply be adapted so that at least once per cycle the regenerator 15 is filled with liquid fluid. Advantageously, the displacer 14c scans in this case a volume Vdepi (c) equal to the minimum volume of gas Vmin on a cycle, plus the gas volume of the regenerator Vregen (this volume being equal to the internal volume of the regenerator 15, minus the volume of the solid matrix). Thus a stroke of the displacer 14c allows exactly an integral transfer of the compressed gas from one chamber to the other during the isochoric heating step (2H43H), the regenerator 15 being successively filled with liquid fluid, then with gas, then with fluid fluid during this transfer. Note also that if the use of a liquid piston to expel gas from the regenerator 15 is very effective, the use of a "gaseous piston" to expel the fluid during the return of the gas (for example at the beginning of the isochore cooling 4H41 H) is less. To counter this problem, advantageously an additional circuit 16 of liquid working fluid successively connects a first side of the displacer 14c, the regenerator 15, and a second side of the displacer 14c. With this circuit 16, the displacement of the displacer 14c firstly causes the suction of the liquid fluid filling the regenerator and its replacement by the gas. The two branches of this circuit 16, starting on either side of the regenerator 15, can be equipped with valves configured to not be open simultaneously to prevent fluid from passing from one chamber to another bypassing the displacer 14c.
De façon particulièrement préférée, on utilise un régénérateur 15 qui comprend en sa partie supérieure une pluralité de chambres 150 successives, par exemple trois chambres comme représenté sur les figures 6, afin de conserver un profil thermique moyen qui améliore l'efficacité du régénérateur. Chaque chambre 150 est alors à une température quasi constante lors des cycles, et avec un profil décroissant depuis la chambre à haute 20 température vers la chambre basse température. A cet effet, les chambres 150 sont séparées par des parois poreuses 151 limitant le passage d'un liquide mais pas d'un gaz, lesdites chambres 150 comprenant une matrice solide 152 de stockage thermique, la conduite 11 étant connectée à la partie haute du régénérateur, et le circuit 16 étant 25 connecté à la partie basse du régénérateur 15. Son avantage principal est de permettre l'utilisation d'huiles en tant que fluide liquide avec des températures élevées pour la source chaude, sans craindre l'encrassement progressif du régénérateur 15 par des condensats. 30 En effet, alors que les régénérateurs classiques visent à être très petits afin de minimiser les espaces morts, ce type de régénérateur innovant peut être conçu beaucoup plus volumineux. Ainsi les problèmes d'encrassement progressif de la matrice solide par le fluide liquide sont éliminés du fait de dimensions de passage du gaz plus importantes dans la matrice solide du régénérateur. Sans ce régénérateur 15 avantageux, la température maximale de la chambre 12a HT devra en pratique rester inférieure à 200-250°C (pression de saturation des huiles très faible), alors qu'avec on peut envisager de monter à 300-400°C sans craindre la condensation des huiles. Chaque chambre 150 est séparée de sa voisine par une paroi 151 qui laisse aisément passer le gaz, mais empêche le liquide de circuler facilement (afin d'éviter des mouvements de convection entre les chambres du fait des différences de température entre celles-ci) sans le bloquer complètement. Un exemple non limitatif de réalisation de ces parois 151 sera constitué d'une grille dont les pores seront de l'ordre du dixième de millimètre, voire de filtres anti-particules que l'on rencontre couramment dans les circuits hydrauliques. Ce montage permet à du liquide en excédent (condensation des vapeurs, ou liquide emporté par le gaz en sortant d'une des deux chambres) de se rééquilibrer naturellement entre les chambres de travail. Particularly preferably, a regenerator 15 is used which comprises at its upper part a plurality of successive chambers 150, for example three chambers as shown in FIG. 6, in order to maintain a mean thermal profile which improves the efficiency of the regenerator. Each chamber 150 is then at an almost constant temperature during the cycles, and with a decreasing profile from the high temperature chamber to the low temperature chamber. For this purpose, the chambers 150 are separated by porous walls 151 limiting the passage of a liquid but not a gas, said chambers 150 comprising a solid matrix 152 of thermal storage, the pipe 11 being connected to the upper part of the regenerator, and the circuit 16 being connected to the lower part of the regenerator 15. Its main advantage is to allow the use of oils as liquid fluid with high temperatures for the hot source, without fear of progressive fouling. regenerator 15 by condensates. Indeed, while conventional regenerators aim to be very small in order to minimize dead space, this type of innovative regenerator can be designed much larger. Thus the problems of progressive fouling of the solid matrix by the liquid fluid are eliminated because of larger gas flow dimensions in the solid matrix of the regenerator. Without this advantageous regenerator, the maximum temperature of the chamber 12a HT should in practice remain below 200-250 ° C. (very low saturation pressure of the oils), whereas with it is possible to consider increasing to 300-400 ° C. without fearing the condensation of oils. Each chamber 150 is separated from its neighbor by a wall 151 which allows the gas to pass easily, but prevents the liquid from circulating easily (in order to avoid convection movements between the chambers because of the temperature differences between them) without block it completely. A non-limiting embodiment of these walls 151 will consist of a gate whose pores will be of the order of one tenth of a millimeter, or even anti-particle filters that are commonly encountered in hydraulic circuits. This arrangement allows excess liquid (condensation of vapors, or liquid carried by the gas leaving one of the two chambers) to rebalance naturally between the working chambers.
Le régénérateur comprend une paroi supérieure 153, cette paroi supérieure étant avantageusement soit sensiblement plane, soit formant une légère voûte (voir plus bas l'intérêt d'une telle forme), et dans les deux cas coïncidant avantageusement avec le niveau maximum de fluide liquide de travail sur un cycle de façon que dans les phases où un des pistons est fixe, le niveau du liquide soit plan entre le régénérateur 15 et la chambre 12a ou 12b remplie de fluide. Il est alors pertinent (mais d'autres montages sont possibles) que la surface inférieure des pistons de travail 14a, 14b (dans le cas où ils sont placés en partie haute 122a, 122b d'une chambre 12a, 12b) lorsqu'ils sont en position la plus basse se situe au niveau de la paroi supérieure 153. La matrice solide 152 de chaque chambre 150 qui assure la fonction de transfert d'énergie avec le gaz lors de ses passages est composée de manière non exclusive de petits (diamètre intérieur de 0,1 à 0,5 mm) tubes métalliques, ou d'une structure « poreuse » de type « garnissage », technologie utilisée notamment pour des échanges directs à contre courants entre un gaz et un liquide (scrubbers, colonnes de distillation,..) Sous chacune de ces chambres 150, se trouve avantageusement une poche 154 de fluide liquide. A la fin de chaque phase isochore (les figures 6a et 6b correspondent respectivement à l'état du régénérateur pendant et à la fin de la phase 4H41 H), du fluide liquide (ici chaud) est introduit par le mouvement du déplaceur 14c (via le circuit 16) dans le régénérateur 15. Son introduction va pousser le liquide contenu dans chaque poche 154 qui va monter (l'autre branche du circuit 16 étant fermée), et chasser le gaz contenu dans le régénérateur 15 par la conduite 11, réduisant à néant le volume mort du régénérateur 15 comme l'on voit sur la figure 6b. Le fluide de chaque chambre 150 agit comme un piston liquide. Cette architecture garantit une évacuation contrôlée du gaz en direction d'un coin supérieur du régénérateur (le coin droit dans notre cas) sans risque de piégeage de bulles. Toutefois, même si le régénérateur innovant 15 permet de s'affranchir totalement du volume mort, il est dans certains cas avantageux de conserver un léger ciel gazeux au niveau de la paroi supérieure 153 du régénérateur 15 (forme de voûte) ou des chambres de travail 12a, 12b pour des questions de sécurité, afin d'absorber si nécessaire des "coups de bélier", c'est-à-dire des ondes de choc qui se propagent dans le fluide si un piston de travail 14a, 14b venait à heurter un liquide incompressible. Ce volume mort « de sécurité » n'a cependant aucune commune mesure avec les volumes morts que l'on observait dans les dispositifs connus, et est suffisamment faible pour avoir un impact insignifiant sur le rendement global. The regenerator comprises an upper wall 153, this upper wall advantageously being either substantially flat or forming a slight arch (see below the interest of such a shape), and in both cases advantageously coinciding with the maximum level of liquid fluid. working on a cycle so that in the phases where one of the pistons is fixed, the liquid level is flat between the regenerator 15 and the chamber 12a or 12b filled with fluid. It is then relevant (but other arrangements are possible) that the lower surface of the working pistons 14a, 14b (in the case where they are placed in the upper part 122a, 122b of a chamber 12a, 12b) when they are in the lowest position is located at the top wall 153. The solid matrix 152 of each chamber 150 which performs the function of energy transfer with the gas during its passage is non-exclusively composed of small (internal diameter from 0.1 to 0.5 mm) metal tubes, or a "porous" structure of the "packing" type, technology used in particular for direct counter-current exchanges between a gas and a liquid (scrubbers, distillation columns, ..) Under each of these chambers 150, is advantageously a pocket 154 of liquid fluid. At the end of each isochoric phase (FIGS. 6a and 6b respectively correspond to the state of the regenerator during and at the end of the 4H41H phase), liquid fluid (here hot) is introduced by the movement of the displacer 14c (via the circuit 16) in the regenerator 15. Its introduction will push the liquid contained in each pocket 154 which will rise (the other branch of the circuit 16 being closed), and drive the gas contained in the regenerator 15 through the pipe 11, reducing to zero the dead volume of the regenerator 15 as seen in Figure 6b. The fluid of each chamber 150 acts as a liquid piston. This architecture guarantees a controlled evacuation of the gas towards an upper corner of the regenerator (the right corner in our case) without risk of trapping bubbles. However, even if the innovative regenerator 15 completely eliminates the dead volume, it is in some cases advantageous to keep a light gas at the top wall 153 of the regenerator 15 (vault shape) or working chambers 12a, 12b for safety reasons, in order to absorb if necessary "water hammer", that is to say shock waves that propagate in the fluid if a working piston 14a, 14b was to hit an incompressible liquid. This "safe" dead volume, however, has no common measure with the dead volumes observed in known devices, and is small enough to have an insignificant impact on the overall yield.
De manière non limitative, une membrane 155 de type silicone contiendra le fluide liquide de chaque poche 154 et assurera une étanchéité thermique avec les poches 154 voisines, le fluide situé en dessous qui le pousse, et les chambres 150 voisines. On remarquera que les capacités thermiques du liquide de chaque poche 154 plus celle de la matrice solide 152 sont beaucoup plus importantes que celle du gaz qui traverse le régénérateur. Ainsi, chaque poche, ainsi que la matrice solide 152 de la poche située au dessus, sera à température quasi constante, décroissant depuis la chambre chaude vers la chambre froide. On peut voir le liquide de chaque poche 153 comme une « extension » de la matrice solide 152 en ce qu'il augmente encore son inertie thermique. D'autre part, la chambre du déplaceur 14c est alternativement remplie de liquide chaud et froid selon les allers et retour du déplaceur 14c, il convient donc d'éviter tout transfert de masse, et ou de chaleur entre celle-ci et le régénérateur 15, c'est pourquoi ils ne seront avantageusement pas placés côte à côte. Comme expliqué précédemment, de préférence l'aspiration de fluide liquide se produit en début de phase isochore, et est déclenchée par le mouvement du déplaceur 14c en début de course, alors que l'introduction de fluide liquide se produit en fin de chaque phase isochore, et est déclenchée par le mouvement du déplaceur 14c en bout de course. Le régénérateur 15 est ainsi rempli de fluide liquide durant les phases de détente isotherme et de compression isotherme. In a nonlimiting manner, a membrane 155 of silicone type will contain the liquid fluid of each pocket 154 and provide a thermal seal with the neighboring pockets 154, the fluid located below that pushes it, and the neighboring chambers 150. It will be noted that the thermal capacities of the liquid of each pocket 154 plus that of the solid matrix 152 are much greater than that of the gas passing through the regenerator. Thus, each pocket, as well as the solid matrix 152 of the pocket located above, will be at almost constant temperature, decreasing from the hot chamber to the cold room. The liquid of each pocket 153 can be seen as an "extension" of the solid matrix 152 in that it further increases its thermal inertia. On the other hand, the displacer chamber 14c is alternately filled with hot and cold liquid according to the allers and return of the displacer 14c, it is therefore necessary to avoid any mass transfer, or heat between it and the regenerator 15 that is why they will not advantageously be placed side by side. As explained above, liquid fluid aspiration preferably occurs at the beginning of the isochoric phase, and is triggered by the movement of the displacer 14c at the beginning of the stroke, whereas the introduction of liquid fluid occurs at the end of each isochoric phase. , and is triggered by the movement of the displacer 14c at the end of the stroke. The regenerator 15 is thus filled with liquid fluid during the isothermal expansion and isothermal compression phases.
Pistons débrayables 25 Il a été mentionné précédemment que les moteurs Stirling connus avaient tendance à « couper les angles » du cycle Stirling pour des questions de simplicité de construction. Cela dégrade les performances, et fait en particulier qu'il n'y a pas de vraies phases isochores. Le dispositif 10 30 selon l'invention, pour lequel les transferts isochores sont le point fort, résout avantageusement le problème en incluant la possibilité de débrayer les pistons de travail 14a, 14b, c'est-à-dire que les pistons de travail 14a, 14b ne soient solidaire du vilebrequin 18 que pendant une partie du cycle. Cela est rendu possible en particulier lorsque les pistons de détente 14a et de compression 14b sont reliés par un vilebrequin 18 effectuant deux tours par cycle. La liaison avec le piston se fait en effet dans ce cas là par une bielle, qu'on prolonge d'une masselotte 19, choisie par exemple cylindrique pour pouvoir être enfilée sur la tige de piston, et bloquée par une butée de la tige de piston. A chaque impact de la masselotte 19 sur la butée, on passe d'un mode embrayé à un mode débrayé, et inversement. Disengageable Pistons It has been mentioned previously that known Stirling engines tended to "cut corners" of the Stirling cycle for simplicity of construction. This degrades performance, and in particular makes that there is no real isochoric phase. The device 10 30 according to the invention, for which the isochoric transfers are the strong point, advantageously solves the problem by including the possibility of disengaging the working pistons 14a, 14b, that is to say that the working pistons 14a 14b are secured to the crankshaft 18 only during part of the cycle. This is made possible in particular when the expansion piston 14a and 14b compression are connected by a crankshaft 18 performing two turns per cycle. The connection with the piston is indeed in this case there by a rod, which is extended by a feeder 19, chosen for example cylindrical to be threaded on the piston rod, and blocked by a stop of the rod of piston. At each impact of the weight 19 on the stop, one goes from an engaged mode to a disengaged mode, and vice versa.
Ainsi, sur deux tours de vilebrequin 18 par cycle, chaque piston de travail 14a, 14b avantageusement en passe un en étant solidaire du vilebrequin, et un autre en position basse. Les deux pistons 14a, 14b étant avantageusement déphasés d'un demi-tour sur le vilebrequin 18, on a successivement au final : du cycle avec les deux pistons embrayés ; - du cycle avec seul le piston de compression 14b embrayé ; - du cycle avec aucun piston embrayé ; - du cycle avec seul le piston de détente 14a embrayé. Thus, on two turns of crankshaft 18 per cycle, each working piston 14a, 14b advantageously passes one being secured to the crankshaft, and another in the low position. The two pistons 14a, 14b being advantageously phase-shifted by a half-turn on the crankshaft 18, there is successively at the end: the cycle with the two pistons engaged; the cycle with only the compression piston 14b engaged; - the cycle with no piston engaged; - Of the cycle with only the trigger piston 14a engaged.
On retrouve les quatre phases du cycle Stirling parfait. Procédé Stirling We find the four phases of the perfect Stirling cycle. Stirling process
Le dispositif 10 selon l'invention met donc avantageusement en oeuvre un procédé de transfert thermique suivant un cycle thermodynamique dit « Stirling », comprenant des phases successives de : - premier transfert isochore (4H41 H) intégral du gaz de travail, de la chambre 12a HT à la chambre 12b BT ; - compression isotherme (1 H42H) du gaz de travail occupant la chambre 12b BT ; - deuxième transfert isochore (2H43H) intégral du gaz de travail, de la chambre 12b BT à la chambre 12a HT ; - détente isotherme (3H44H) du gaz de travail occupant la chambre 12a HT. Comme montré précédemment, les quatre phases du cycle ont avantageusement la même durée : pour respecter les isochores, le piston de détente 14a est solidaire du vilebrequin 18 seulement pendant les phases de détente isotherme et de premier transfert isochore, et le piston de compression 14b est solidaire du vilebrequin 18 seulement pendant les phases de premier transfert isochore et de compression isotherme, les pistons de détente 14a et de compression 14b étant immobiles durant la seconde phase de transfert isochore. En outre, le dispositif 10 peut comprendre un système de pompage liquide 17, ce système 17 permettant de déplacer le fluide de travail liquide dans les circuits 13a, 13b sur commande, comme représenté sur la figure 5a où il consiste en deux pistons séparés par une membrane étanche et très peu conductrice de la chaleur. L'intérêt de ce système 17 est de pouvoir l'activer seulement pendant les phases de transfert isochore, en particulier en déplaçant ce double piston au début de chaque phase : dans un premier sens au début des phases isochores pour remplir le piston de fluide chauffé/refroidi selon le circuit 13a ou 13b, et dans un second sens au début des phases isochores pour envoyer ce fluide respectivement dans les chambres 12a et 12b. Cela permet, en plus de vraies phases isochores, d'avoir de phases isothermes, pendant lesquelles il n'y a pas de variation de température. Le système 17 permet de concentrer ces transferts thermiques sur une moitié du cycle seulement, sans pour autant diviser par deux l'énergie échangée. Il est possible de le coupler mécaniquement au déplaceur 14c. The device 10 according to the invention therefore advantageously implements a thermal transfer process according to a thermodynamic cycle called "Stirling", comprising successive phases of: - first isochoric transfer (4H41 H) integral of the working gas, the chamber 12a HT at room 12b BT; - Isothermal compression (1 H42H) of the working gas occupying the chamber 12b BT; second complete isochoric transfer (2H43H) of the working gas, from the chamber 12b BT to the chamber 12a HT; - Isothermal expansion (3H44H) of the working gas occupying the chamber 12a HT. As shown above, the four phases of the cycle advantageously have the same duration: to respect the isochores, the expansion piston 14a is integral with the crankshaft 18 only during the isothermal expansion and first isochoric transfer phases, and the compression piston 14b is secured to the crankshaft 18 only during the phases of first isochoric transfer and isothermal compression, the expansion piston 14a and 14b compression being immobile during the second isochoric transfer phase. In addition, the device 10 may comprise a liquid pumping system 17, this system 17 for moving the liquid working fluid in the circuits 13a, 13b on command, as shown in Figure 5a where it consists of two pistons separated by a waterproof membrane and very little conductivity of heat. The advantage of this system 17 is to be able to activate it only during the isochoric transfer phases, in particular by moving this double piston at the beginning of each phase: in a first direction at the beginning of the isochoric phases to fill the piston with heated fluid / cooled according to the circuit 13a or 13b, and in a second direction at the beginning of the isochoric phases to send this fluid respectively into the chambers 12a and 12b. This allows, in addition to real isochoric phases, to have isothermal phases, during which there is no temperature variation. The system 17 makes it possible to concentrate these heat transfers on only one half of the cycle, without dividing by half the energy exchanged. It is possible to couple it mechanically to the displacer 14c.
Pour détailler un cycle complet dans un mode de réalisation particulièrement préféré du dispositif 10 selon l'invention (ici configuré en moteur), à commencer par le point 1H (fin du premier transfert isochore), le dispositif 10 est dans l'état représenté par la figure 5a. To detail a complete cycle in a particularly preferred embodiment of the device 10 according to the invention (here configured as a motor), starting with the point 1H (end of the first isochoric transfer), the device 10 is in the state represented by Figure 5a.
La chambre 12a HT est entièrement remplie de fluide liquide. Son piston de détente 14a se désolidarise de sa masselotte 19 reliée au vilebrequin 18, au point bas de celle-ci. Le régénérateur 15 est rempli de liquide poussé par le fluide chaud expulsé de la chambre du déplaceur 14c, en fin de course de celui-ci. Dans la phase de compression isotherme (1 H42H) représentée par la figure 5b, le vilebrequin 18 est donc désolidarisé du piston de détente 14a qui reste bloqué. Le piston de compression 14b comprime le gaz de la chambre 12b BT, le caractère isotherme de cette compression étant ici fourni par l'absorption de l'énergie de compression par la structure solide 140b accrochée au piston 14b. Le déplaceur 14c est immobile dans cette phase. A la position 2H, représentée par la figure 5c, le piston de compression 14b, en position basse, se désolidarise du vilebrequin 18 et reste bloqué. Durant la phase 2H43H (figure 5d), les deux pistons de travail 14a et 14b sont donc bloqués en position basse, le volume de gaz est au minimum (Vmin), la pression est maximale. Il s'agit de la seconde phase de transfert isochore. Le déplacement de gaz de la chambre 12b BT vers la chambre 12a HT est provoqué par le seul mouvement du déplaceur 14c qui se déplace ici vers la droite, en aspirant d'abord le liquide chaud du régénérateur 15, puis en imposant la traversée du régénérateur 15 au gaz. Le système 17 est simultanément activé pour renouveler les chambres 12a et 12b en fluide liquide respectivement réchauffé et refroidi. The chamber 12a HT is completely filled with liquid fluid. Its expansion piston 14a is disengaged from its weight 19 connected to the crankshaft 18 at the low point thereof. The regenerator 15 is filled with liquid pushed by the hot fluid expelled from the displacer chamber 14c, at the end of stroke thereof. In the isothermal compression phase (1 H42H) represented by FIG. 5b, the crankshaft 18 is thus disengaged from the expansion piston 14a which remains locked. The compression piston 14b compresses the gas of the chamber 12b BT, the isothermal character of this compression being here provided by the absorption of the compression energy by the solid structure 140b hooked to the piston 14b. The displacer 14c is stationary in this phase. At the position 2H, represented by FIG. 5c, the compression piston 14b, in the low position, disengages from the crankshaft 18 and remains locked. During the phase 2H43H (Figure 5d), the two working pistons 14a and 14b are thus locked in the low position, the gas volume is at least (Vmin), the pressure is maximum. This is the second phase of isochoric transfer. The displacement of gas from the chamber 12b BT to the chamber 12a HT is caused by the single movement of the displacer 14c which moves here to the right, by first sucking the hot liquid of the regenerator 15 and then imposing the crossing of the regenerator 15 to the gas. The system 17 is simultaneously activated to renew the chambers 12a and 12b respectively liquid fluid heated and cooled.
Au point 3H (figure 5e), la chambre 12a HT contient la totalité du gaz, comprimé au maximum, et est au plus chaud : Il a été réchauffé par la traversée du régénérateur, et par le fluide liquide de cette chambre 12a, dans lequel sont plongées les structures 140a. Le niveau d'énergie est maximal, et toutes les conditions sont réunies pour la phase de détente isotherme 3H44H (figure 5f). C'est la phase moteur du cycle. Le piston 14a, violemment poussé par le gaz en expansion, se resolidarise avec le vilebrequin 18 et transmet du travail mécanique. Les gouttelettes éventuellement condensées dans le régénérateur 15 à cause de la pression, ou emportées par le gaz vers la chambre 12b BT, sont directement renvoyées à la chambre 12a HT, par gravité, égalité de niveau de liquide entre le chambre 12b BT et la paroi supérieure du régénérateur. Le déplaceur 14c est immobile (Le régénérateur est rempli depuis la fin de la phase précédente de fluide froid venant de la chambre 12b) Au point 4H représenté sur la figure 5g (fin de détente isochore), le piston de détente 14a est à son point haut. La chambre 12a HT contient toujours tout le gaz de travail. Le piston de compression 14b, qui était précédemment désolidarisé du vilebrequin 18, se raccroche à la masselotte 19 quand elle atteint son point bas. Lorsque le mouvement isochore (4H41 H) commence, le piston de détente 14a descend alors que le piston de compression monte. Les mouvements sont égaux, le volume Vtota, est donc constant (figure 5h). Le déplaceur 14a se déplace ici vers la gauche, en commençant par aspirer le liquide froid du régénérateur 15, puis le liquide froid de la chambre 12b BT. Le gaz passe de la chambre 12a HT vers la chambre 12b BT en cédant sa chaleur au régénérateur 15. Le liquide chaud à gauche du déplaceur 14c est à son tour injecté dans le régénérateur 15 afin de le vider de son gaz à destination de la chambre 12b BT en fin de phase. Un phénomène de condensation des vapeurs du liquide chaud va se produire durant cette phase. Des gouttelettes vont se déposer sur les parois des chambres 150 du régénérateur 15, et une partie peut être emportée par le gaz vers la chambre 12a HT. Le point 1H est à nouveau atteint (figure 5a) et le cycle est bouclé. At point 3H (FIG. 5e), the chamber 12a HT contains all of the gas, compressed to the maximum, and is at the warmest: It has been reheated by the regenerator feedthrough, and by the liquid fluid of this chamber 12a, in which are dipped structures 140a. The energy level is maximum, and all conditions are met for the isothermal expansion phase 3H44H (Figure 5f). This is the motor phase of the cycle. The piston 14a, violently pushed by the expanding gas, resolidarise with the crankshaft 18 and transmits mechanical work. The droplets, possibly condensed in the regenerator 15 because of the pressure, or carried by the gas to the chamber 12b BT, are directly returned to the chamber 12a HT, by gravity, level of liquid level between the chamber 12b BT and the wall top of the regenerator. The displacer 14c is stationary (The regenerator is filled since the end of the previous phase with cold fluid coming from the chamber 12b) At the point 4H shown in FIG. 5g (end of isochoric expansion), the expansion piston 14a is at its point high. The chamber 12a HT still contains all the working gas. The compression piston 14b, which was previously disconnected from the crankshaft 18, clings to the weight 19 when it reaches its low point. When the isochoric movement (4H41 H) begins, the expansion piston 14a descends as the compression piston rises. The movements are equal, the volume Vtota, is therefore constant (Figure 5h). The displacer 14a moves here to the left, starting by sucking the cold liquid from the regenerator 15, then the cold liquid from the chamber 12b BT. The gas passes from the chamber 12a HT to the chamber 12b BT by yielding its heat to the regenerator 15. The hot liquid left of the displacer 14c is in turn injected into the regenerator 15 in order to empty its gas to the chamber 12b BT at the end of the phase. A condensation phenomenon of the vapors of the hot liquid will occur during this phase. Droplets will be deposited on the walls of the chambers 150 of the regenerator 15, and a portion may be carried by the gas to the chamber 12a HT. Point 1H is reached again (Figure 5a) and the cycle is complete.
Applications thermodynamiques Le dispositif 10 possède l'avantage de pouvoir fonctionner selon trois modes de fonctionnement différents (moteur Stirling, production de froid et production de chaud) selon les sources auxquelles il est connecté. Ces trois configurations font l'objet de trois modes de réalisation avantageux. Tout d'abord, lorsqu'il est configuré en moteur, c'est à dire adapté à une production de travail mécanique comme c'est le cas pour le dispositif 10 représenté sur la figure 5a, il doit comprendre des moyens 30 de valorisation de travail mécanique reliés avec les pistons 14. Par exemple, dans la figure 5a ces moyens sont confondus avec le vilebrequin 18, sous la forme d'un arbre rotatif qui transmet le mouvement à tout autre moyen qui pourrait l'utiliser, comme des roues si le dispositif 10 configuré en moteur est installé dans une voiture. De plus, il doit comprendre des moyens 21 de captage de chaleur et des moyens 22 de dissipation de chaleur, qui seront respectivement la source froide et la source chaude, respectivement en prise avec le circuit 13a HT et le circuit 13b BT. Les moyens 21 de captage de chaleur englobent toute façon de récupérer de la chaleur, le plus souvent à plus de 300°C. Il peut s'agit par exemple d'un échangeur avec des bruleurs de tout carburant, comme de l'essence dans le cas d'une voiture, ou d'un récupérateur d'énergie solaire, géothermique, etc. Les moyens 22 de dissipation de chaleur désignent notamment des radiateurs (dans le cas du véhicule), mais aussi tout échangeur avec de l'air, de l'eau, ou tout milieu plus frais. L'application d'un dispositif 10 configuré en moteur Stirling est tout particulièrement adaptée à tout véhicule que l'on pourrait qualifier d'hybride : le moteur Stirling n'est que peu adapté aux changements brusques de régime (conduite urbaine par exemple), mais est parfait pour recharger en permanence via une génératrice une batterie, laquelle alimentera un moteur électrique qui fournira la puissance motrice au véhicule. On pense ainsi aux voitures, camions ou bus, mais par exemple également aux sous-marins conventionnels, qui fonctionnent sur batteries pour des questions de discrétion, voire aux véhicules aériens et aux générateurs électriques fixes. Thermodynamic Applications The device 10 has the advantage of being able to operate according to three different operating modes (Stirling engine, production of cold and production of heat) according to the sources to which it is connected. These three configurations are the subject of three advantageous embodiments. Firstly, when it is configured as a motor, that is to say adapted to a production of mechanical work as is the case for the device 10 shown in FIG. 5a, it must comprise means 30 for the recovery of mechanical work connected with the pistons 14. For example, in Figure 5a these means are coincident with the crankshaft 18, in the form of a rotary shaft that transmits the movement to any other means that could use it, such as wheels if the device 10 configured as a motor is installed in a car. In addition, it must include heat sensing means 21 and heat dissipating means 22, which will respectively be the cold source and the hot source respectively engaged with the circuit 13a HT and the circuit 13b BT. The means 21 of heat capture include any way to recover heat, usually at more than 300 ° C. This may for example be an exchanger with burners of any fuel, such as gasoline in the case of a car, or a recuperator of solar energy, geothermal, etc. The means 22 for heat dissipation include radiators (in the case of the vehicle), but also any exchanger with air, water or any cooler medium. The application of a device 10 configured Stirling engine is particularly suitable for any vehicle that could be described as hybrid: the Stirling engine is only poorly adapted to abrupt changes in regime (urban driving for example), but is perfect for recharging a battery permanently via a generator, which will power an electric motor that will provide the motive power to the vehicle. We think of cars, trucks or buses, but also conventional submarines, which operate on batteries for reasons of discretion, or even air vehicles and fixed electric generators.
Dans les deux autres configurations, le dispositif 10 selon l'invention est un consommateur de travail mécanique. Il équivaut à une pompe à chaleur. Les pistons 14 sont cette fois reliée à des moyens 31 d'apport de travail mécanique, comme l'on voit par exemple dans la figure 3, où le dispositif 10 est configuré en production de froid. La phase de détente 3H44H n'est plus motrice, mais est en contraire forcée par les moyens 31. Ainsi, au lieu de permettre à du gaz chaud de se refroidir dans la chambre 12a HT, on force du gaz déjà froid à se refroidir encore plus. Il s'agit de la configuration où la chambre 12a HT est à un niveau de température inférieur à celui de la chambre 12b BT. Le circuit 13a HT est ainsi en prise avec des moyens 20 de valorisation de froid, ces moyens 21 jouant toujours le rôle de source de chaleur, mais cette fois à des températures de quelques degrés Celsius, voire en dessous. Ces moyens 21 de valorisation de froid consistent par exemple en un circuit de climatisation, un échangeur avec une chambre froide, ou toute autre façon d'extraire de la chaleur à un milieu que l'on souhaite refroidir. Le dispositif 10 configuré en production de froid comprend en outre des moyens 22 de dissipation de chaleur en prise avec l'autre circuit 13b BT comme en application moteur. Le dispositif 10 configuré en production de chaleur (non représenté) fonctionne sur le même principe, mais avec des niveaux d'énergie décalés vers le haut (à titre d'exemple, des températures classiques des sources sont mentionnées entre parenthèses), en remplaçant les moyens de dissipation de chaleur (T=40°C) par des moyens 20 de valorisation de chaleur (T ...-,80°C ), et les moyens de valorisation de froid (T = -30°C ) par des moyens 21 de captage de chaleur (T = o°C ). Les moyens 20 de valorisation de chaleur peuvent être un réseau de chauffage, comprenant une pluralité de convecteurs, ou toute autre façon de transmettre de la chaleur à un milieu que l'on souhaite chauffer. En outre, le système étant réversible, les moyens de valorisation de chaleur peuvent tout à fait se transformer en moyens de valorisation de froid selon les saisons : dans un immeuble de bureaux, le dispositif 10 peut chauffer l'hiver, et climatiser l'été. In the other two configurations, the device 10 according to the invention is a consumer of mechanical work. It is equivalent to a heat pump. The pistons 14 are this time connected to means 31 of mechanical input supply, as can be seen for example in Figure 3, where the device 10 is configured for cold production. The relaxation phase 3H44H is no longer driving, but is instead forced by the means 31. Thus, instead of allowing hot gas to cool in the chamber 12a HT, it forces already cold gas to cool again more. This is the configuration where the chamber 12a HT is at a temperature level lower than that of the chamber 12b BT. The circuit 13a HT is thus engaged with cold recovery means 20, these means 21 still playing the role of heat source, but this time at temperatures of a few degrees Celsius, or even below. These cold recovery means 21 consist for example of an air conditioning circuit, an exchanger with a cold room, or any other way of extracting heat from a medium that it is desired to cool. The device 10 configured in cold production further comprises means 22 for heat dissipation engaged with the other circuit 13b BT as engine application. The device 10 configured in heat production (not shown) operates on the same principle, but with energy levels shifted upwards (for example, conventional source temperatures are mentioned in parentheses), replacing the means for heat dissipation (T = 40 ° C) by heat recovery means (T ...-, 80 ° C), and the cold recovery means (T = -30 ° C) by means 21 heat capture (T = o ° C). The heat recovery means 20 may be a heating network, comprising a plurality of convectors, or any other way of transmitting heat to a medium that it is desired to heat. In addition, the system being reversible, the heat recovery means can quite be transformed into cold recovery means according to the seasons: in an office building, the device 10 can heat the winter, and cool the summer .
Pompe à chaleur autonome Selon un dernier aspect, l'invention concerne une pompe à chaleur autonome, ladite pompe à chaleur autonome comprenant deux dispositifs 10 selon l'invention : l'un configuré en moteur, et l'autre configuré en production de froid ou de chaud. Ainsi l'un produit du travail mécanique, et l'autre la consomme. Cette combinaison permet de ne plus avoir à utiliser une énergie noble comme l'électricité pour faire fonctionner le second dispositif 10, mais de valoriser des sources de chaleur dites « à température moyenne » comme de l'eau chauffée par le soleil, des rejets industriels, les fumées d'une usine, etc. sources le plus souvent gratuites et illimitées : la pompe à chaleur peut ainsi être autonome. L'homme du métier pourra se référer à la demande de brevet FR1053418 dans laquelle sont décrites de nombreuses configurations de pompes à chaleur autonomes que l'on peut adapter à l'utilisation de deux dispositifs 10 selon l'invention placés tête-bêche. Independent heat pump According to a last aspect, the invention relates to a stand-alone heat pump, said autonomous heat pump comprising two devices 10 according to the invention: one configured as a motor, and the other configured in cold production or hot. Thus one produces mechanical work, and the other consumes it. This combination makes it possible to no longer have to use a noble energy such as electricity to operate the second device 10, but to develop heat sources called "at medium temperature" such as water heated by the sun, industrial waste , fumes from a factory, etc. sources often free and unlimited: the heat pump can be autonomous. Those skilled in the art can refer to the patent application FR1053418 in which are described many autonomous heat pump configurations that can be adapted to the use of two devices 10 according to the invention placed upside down.
Claims (22)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1058445A FR2966203A1 (en) | 2010-10-15 | 2010-10-15 | Stirling type thermodynamic device for autonomous heat pump, has chambers arranged on working liquid circuits, and shifter connected to lower parts of chambers so that each chamber is entirely filled with fluid when shifter is put in motion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR1058445A FR2966203A1 (en) | 2010-10-15 | 2010-10-15 | Stirling type thermodynamic device for autonomous heat pump, has chambers arranged on working liquid circuits, and shifter connected to lower parts of chambers so that each chamber is entirely filled with fluid when shifter is put in motion |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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FR2966203A1 true FR2966203A1 (en) | 2012-04-20 |
Family
ID=44064627
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR1058445A Withdrawn FR2966203A1 (en) | 2010-10-15 | 2010-10-15 | Stirling type thermodynamic device for autonomous heat pump, has chambers arranged on working liquid circuits, and shifter connected to lower parts of chambers so that each chamber is entirely filled with fluid when shifter is put in motion |
Country Status (1)
Country | Link |
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FR (1) | FR2966203A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130284226A1 (en) * | 2012-04-26 | 2013-10-31 | Thilo Ittner | Thermoelectric Converter with Improved Heat Transfer Medium |
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US3657877A (en) * | 1971-02-01 | 1972-04-25 | Thermo Electron Corp | Tidal regenerator heat engine |
US4816121A (en) * | 1983-10-03 | 1989-03-28 | Keefer Bowie | Gas phase chemical reactor |
US20090038307A1 (en) * | 2007-08-08 | 2009-02-12 | Cool Energy, Inc. | Direct contact thermal exchange heat engine or heat pump |
-
2010
- 2010-10-15 FR FR1058445A patent/FR2966203A1/en not_active Withdrawn
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Effective date: 20140213 |