FR3019935A1 - Levier thermique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif permettant d'optimiser la conversion d'une source d'énergie thermique. Cette source peut être de la chaleur apportée et/ou celle du milieu environnant. Le dispositif peut fonctionner avec tout type d'apport thermique en circuit ouvert ou fermé. Elle est composée de deux types d'ensembles dont les tailles et les nombres relatifs permettent de nombreuses combinaisons. Ces types d'ensembles peuvent fonctionner selon plusieurs modes et cycles. La versatilité du dispositif lui permet d'être adapté à de nombreuses conditions et milieux. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à la production d'énergie électrique.

Description

Le principe: 1 Le problème : De très nombreux appareils sont dépendants de leur capacité de stockage d'énergie. Cette énergie peut-être présente de nombreuse façon : mécanique, chimique, thermique, cinétique.... La plupart du temps nous avons recours soit à l'énergie mécanique soit à l'énergie électrique. Dans le cas de la propulsion automobile par exemple, l'énergie mécanique est stockée soit sous forme chimique dans un combustible puis convertie en énergie thermique avant d'être une nouvelle fois convertie en énergie mécanique, ou soit sous forme chimique dans une batterie avant d'être restitué sous forme électrique à un moteur qui la convertie en énergie mécanique. Le problème étant que dans un cas on se heurte au faible rendement de conversion de l'énergie d'un carburant et que dans l'autre la capacité de stockage d'une batterie reste limitée par rapport à son volume et à sa masse. Pour faire simple, à masse volumique égale, un carburant permet de restituer beaucoup plus d'énergie mécanique qu'une batterie même si son rendement de conversion est largement plus faible. La batterie possède, quant à elle, l'avantage de stocker une énergie beaucoup moins chère.

Au moins deux réponses existent donc aux problèmes de coûts et d'autonomies : On peut augmenter, à masse volumique égale la capacité des batteries et on peut augmenter le rendement de conversion des moteurs thermiques. C'est cette dernière réponse qui à été choisie ici. 2 Dans l'art antérieur : Il existe dans l'art antérieur de nombreuses solutions concernant les moteurs thermiques ainsi que les batteries. De même il existe aussi des solutions combinant les avantages respectifs des deux solutions citées en exemple. Le moteurs à vapeur, à explosion ou Stirling permettent de convertir l'énergie contenu sous forme chimique dans un carburant en énergie mécanique. Et comme tous ces moteurs ont un régime de fonctionnement optimal, il devient intéressant de convertir, partiellement ou en totalité, leur énergie mécanique en énergie électrique. Cette énergie est alors stockée à plus ou moins long terme et/ou convertie en mouvement par l'intermédiaire d'un moteur électrique.

La fourniture d'énergie électrique ou mécanique à un véhicule n'est qu'un exemple pour répondre aux nombreux besoins en énergie électrique ou mécanique. Les moteurs thermiques ayant par ailleurs de nombreuses applications. 3 Cette solution est différente.

Le principe de combinaison d'énergie électrique n'est pas ici critiqué. Au contraire c'est un bon exemple d'application pour la solution présentée. Rappelons que la solution proposée à pour but d'améliorer le rendement de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique. Ce qui diffère des solutions précédentes c'est la conception et les caractéristiques physiques qui en découlent. Car par exemple si dans un moteur thermique classique (à explosion, Stirling ou à vapeur), on obtient une conversion par une augmentation de la pression interne, pour ce moteur c'est l'inverse qui se produit ; et ce grâce à un transfert thermique par un échangeur qui est une partie fonctionnelle à dessin du moteur. Conséquemment si dans un moteur thermique il existe une perte thermique dut au refroidissement d'environ 20%, cette perte est ici supprimée et augmente d'autant le rendement de conversion. Cette même conception lui permet de recycler efficacement l'énergie cédée à la source froide et qui dans un moteur à explosion atteint 40%. Dans le cas de l'utilisation d'un combustible pour obtenir une source chaude, la combustion est optimisée car elle est continue. De même en cas d'exploitation solaire, 10 géothermale... Contrairement à ce tout type de moteur actuel qui considère la le milieu environnant comme source froide, ce moteur le considère comme source chaude et est à même d'en convertir l'énergie. De cette façon le rendement peut être inférieur supérieur ou égal à 100%. 15 Le principe modulaire de ce nouveau moteur lui permet de s'adapter à de nombreuses conditions. (En prenant pour référent un moteur à explosion à essence à son régime optimal, la conversion est telle que dans l'idéal: Propulsion- 30%, Refroidissement- 20%, 20 Rayonnement- 10%, Echappement- 40%) 4 Les différentes parties de l'invention L'invention est constituée de deux ensembles principaux. 25 L'ensemble 1 est constitué : Une enceinte isolante définit un volume interne. Dans le volume de l'enceinte isolante un échangeur définit un autre volume interne. Relié à cette échangeur se trouve un premier piston et son cylindre qui est ici l'échangeur lui 30 même. Dans le volume de l'échangeur, une seconde enceinte isolante définit encore un autre volume interne. Dans le volume interne de la seconde enceinte isolante se trouve un second piston qui divise ce volume en deux autre volumes variables. 35 On peut envisager le fonctionnement suivant ( Voir Figure 4 'Les cycles'): NB :Dans cet exemple l'enceinte externe a été supprimée car son utilité réside principalement dans le fait de récupérer de la chaleur pour l'ensemble 2. 40 1° Au repos on a du gaz chaud dans la seconde enceinte isolante et du gaz tiède dans le volume entre cette enceinte et l'échangeur thermique. 2° Le piston se met en mouvement, ce qui a pour effet un transfert de matière : Du gaz chaud entre en contact avec l'échangeur et du gaz tiède pénètre dans la seconde enceinte isolante. 45 3° Il y a transfert de chaleur par l'échangeur thermique vers le milieu extérieur. La pression interne baisse et le premier piston se met en mouvement. ° Le premier piston est arrivé à la fin de sa course et le gaz est tiède dans l'échangeur ainsi que dans la seconde enceinte isolante. 5° Les deux pistons reprennent leur course : Du gaz tiède revient de la seconde enceinte isolante vers l'échangeur et du gaz chaud pénètre de l'extérieur dans la seconde enceinte isolante. 6° Le premier piston a terminé sa course. Du gaz tiède est envoyé de la seconde enceinte isolante vers l'extérieur et le gaz chaud continu de pénétrer dans cette même enceinte de l'autre coté du deuxième piston.

L'ensemble 2 est constitué : Un piston défini trois volumes. Ces volumes peuvent être soit tous différents soit l'un est de capacité supérieure aux deux autres. Ces derniers sont entre eux de formes différentes (cylindrique et torique) et de capacités égales ou différentes. NB : A pression égale le volume d'un gaz augment avec sa température.

On peut envisager le fonctionnement suivant 1° Le premier volume cylindrique est rempli de gaz tiède 2° Le piston se met en mouvement et le gaz tiède est envoyé vers deux destinations : Le 20 volume torique et le petit volume cylindrique via une source chaude. 3° Le piston termine son mouvement. Le volume torique est rempli de gaz tiède et le petit volume cylindrique rempli de gaz chaud. 4° Le piston se met en mouvement. Du gaz tiède de provenance externe à l'ensemble 2 pénètre dans le grand volume. Le gaz tiède du volume torique est envoyé vers une zone 25 de stockage via la source de chaleur. Le gaz chaud du petit cylindre est envoyé vers cette même zone de stockage. 5° Les schémas : Les figures annexées sont des schémas de principe qui illustrent l'invention : 30 La figure 1° La figure 1,'Présentation générale', représente le principe de base et en montre les défauts. Principe de base 35 Le principe de fonctionnement présenté ici à pour but de clarifier l'explication du fonctionnement de l'invention. L'invention englobe ce principe et non l'inverse. 1° Un gaz entre par l'admission, est chauffé par la source chaude, puis est stocké dans l'accumulateur. 40 2°Le gaz chaud passe de l'accumulateur à l'échangeur. Le gaz tiède passe de l'échangeur au piston. 3°La pression baisse dans l'échangeur. Le piston se déplace. 4°L'entrainement du piston permet l'échappement. 45 Défauts principaux: 1° Dans le cas d'une élévation de température par combustion, cette dernière n'est pas continue. 2° La surface de l'échangeur est faible par rapport à son volume. 3° Le fonctionnement n'est optimal que dans certaines conditions.

La figure 2° La figure 2, 'Introduction aux schémas de principe', montre en quoi diffère le dispositif selon l'invention du principe de base : On a décomposé le dispositif selon le principe de 10 base en deux ensembles de fonctions propres. La figure 3° La figure 3 'Schémas de principe', représente en coupe les deux ensembles, définit leur fonction et montre leur capacité à se combiner. 15 Présentation: Il s'agit de deux ensembles de cylindres et de pistons de dimensions et proportions variables. Un groupe d'ensembles ne contient qu'un type d'ensemble. Chaque groupe d'ensemble peut-être partiellement, totalement ou non actif 20 Chaque ensemble d'un groupe peut fonctionner en parallèle ou en série avec un, plusieurs ou tous les ensembles de son groupe. Le premier ensemble dissipe et renvoi de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique. Il permet de convertir en mouvement un transfert de chaleur. Il peut fournir une partie de son énergie mécanique au deuxième ensemble. 25 Le deuxième ensemble permet de recycler et d'extraire de l'énergie thermique. Il peut utiliser ou non son échangeur thermique. Il module le différentiel thermique entre le premier ensemble et le milieu. Les dimensions et le nombre relatifs des deux ensembles peuvent varier selon les besoins. Par exemples : L'ensemble 1 peut être plus grand, de même taille ou plus petit que 30 l'ensenble 2. Le nombre d'ensembles 1 peut être supérieur ou inférieur ou égal au nombre d'ensemble 2. Un groupe d'ensembles ou une partie de ce groupe peut être activé ou désactivé de façon dynamique. 35 La figure 4° La figure 4, 'Les cycles', représente en coupe les deux ensembles en fonction d'un de leurs cycles. Le cycle du premier ensemble à été décomposé en six temps et le cycle du second 40 ensemble en quatre temps. Pour l'ensemble 1 1 Position d'équilibre 1 2 Transfert de gaz 1 3 Echange thermique 45 4 Position d'équilibre 2 5 Admission/Transfert de gaz 2 6 Admission/Echappement Pour l'ensemble 2 1 Position d'équilibre 1 2 Transfert de gaz 1 3 Position d'équilibre 2 4 Transfert de gaz 2 La figure 5° Figure 5, 'Fonctionnement du cycle de l'ensemble 2 en fonction du cycle de l'ensemblel" représente l'ensemble 2 et montre l'un de ses cycles décomposé en 6 temps ainsi que l'un de ses cycles décomposé en six temps avec compression. Ceci à pour but la future représentation d'un cycle général en six temps incluant les deux ensembles. 1 Transfert thermique 2 2 Position d'équilibre 1 3 Transfert de gaz 2/ Transfert thermique 4 Position d'équilibre 2 5 Admission/Transfert de gaz 2 6 Admission/Echappement La figure 6° La figure 6, 'Variante de fonctionnement de l'ensemble 2, donne une idée de la versatilité du dispositif en fonction de l'ensemble 2.

La page 7° La figure 7,'fonctionnement du dispositif-2ensemble sans compression", représente les deux ensembles sans échangeur ni compression, fonctionnant en un cycle de 6 temps. 1 Position d'équilibre 1 2 Transfert de gaz 1 3 Refroidissement/Contraction 4 Position d'équilibre 2 5 Admission/Transfert de gaz 2 6 Admission/Echappement La figure 8,'Fonctionnement du dispositif-2ensemble avec compression" représente les deux ensembles avec échangeur et compression, fonctionnant en un cycle de 6 temps. 1 Transfert thermique/Echappement 2 Transfert de gaz/Transfert de gaz 3 Refroidissement/Contraction 4 Position d'équilibre 5 Admission/Transfert de gaz 6 Admission/Echappement La figure 9° La figure 9,'Fonctionnement du dispositif-2ensemble avec compression" représente dans un autre exemple, les deux ensembles avec échangeur et compression, fonctionnant en un cycle de 6 temps. Temps 1 Position d'équilibre Temps 2 Transfert de gaz 1/Transfert thermique Temps 3 Refroidissement/Echappement Temps 4 Rien/Transfert de gaz -Transfert thermique Temps 5 Position d'équilibre 2 Temps 6 Compression-Transfert /Transfert -Transfert thermique Temps 7 Compression-Admission/Admission-Transfert de gaz La figure 10° La figure 10 'exemple de disposition relative des ensembles" représente en coupe plusieurs autres possibilités d'agencement des éléments du dispositif selon l'invention 6 La mise en oeuvre : Il s'agit d'exploiter des caractéristiques physiques en utilisant des relations géométriques. Ces caractéristiques sont la variation de pression en fonction de la variation de température d'un gaz et la transmission de la chaleur par conduction thermique. Ces relations sont la variation du rapport surface/volume et la variation de la force en fonction de la variation de la surface. Cette solution est constituée de cylindres et de pistons dont les phases et fréquences d'oscillation peuvent différer les une des autres. Elle doit apporter une meilleure exploitation de l'énergie apportée et en extraire du milieu. La géométrie de l'ensemble 1 lui permet de mettre en contact du gaz chaud avec son échangeur sans modification de quantité de matière ainsi que d'utiliser efficacement les rapports de pression interne/externe La géométrie de l'ensemble 2 lui permet de stocker le produit d'une source de chaleur de façon continue ainsi que de recycler le produit du transfert thermique de l'ensemble 2. Elle peut aussi lui permettre d'extraire de l'énergie thermique du milieu.

On a un volume pour l'échangeur thermique dont la surface est importante ; ce volume dissipe sa chaleur efficacement. Il permet aussi de convertir efficacement de l'énergie thermique en énergie mécanique. Ce qui signifie aussi qu'il fonctionne avec un faible différentiel thermique.

De plus la quantité d'énergie nécessaire au recyclage ainsi qu'à la captation de chaleur est inférieur à la quantité d'énergie restituée. Par exemple : Dans le cas page 7.

De l'air extérieur a été introduit dans l'échangeur du premier ensemble. Il y a été chauffé et sa densité a baissé. Il est alors envoyé dans le grand compartiment du l'ensemble 2. Ce piston peut soit stocker un gaz soit en moduler la température par pression ou transmission thermique.

Ce même piston redescend en envoyant du gaz à son deuxième compartiment ainsi que vers la source de chaleur. La source de chaleur élève la température du gaz qui est passe dans le petit volume cylindrique de l'ensemble 2. Ce gaz passe alors dans l'ensemble 1 où il est stocké à l'abri de toute déperdition thermique. Puis il passe dans l'échangeur où il cède de sa chaleur par conduction. Il peut ensuite retourner en partie dans le premier volume. Ce qu'il reste du gaz est envoyé vers l'échappement.

On remarque que contrairement aux autres dispositifs, cette configuration ne possède qu'une entrée et une sortie et ce même dans le cadre d'un apport d'énergie par combustion. Par conséquent il n'y a pas de perte thermique par refroidissement. De plus, l'intégration des dispositifs mécaniques entre la génération mécanique et le recyclage limite les pertes par frottement.

Le principe est réversible et produit de la chaleur lorsqu'on lui fourni de l'énergie mécanique. .

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1° Le dispositif est constitué des deux groupes d'ensembles 1 et 2 figurant sur la figure
2. 2. Ces deux groupes d'ensembles ensemble possèdent au moins un échangeur, un accumulateur, un piston fournissant du travail mécanique ainsi qu'un circuit de recyclage, une zone de captage thermique (différente de l'échangeur), une admission, un échappement et des systèmes de fermeture. 2°Le dispositif selon la revendication 1 réparti les éléments selon les ensemble 1 et 2 de la façon suivante : L'ensemble 1 : Echangeur, Accumulateur, Piston fournissant du travail. L'ensemble 2 : Circuit de recyclage, Zone de captage.
3. 3° Chaque groupe d'ensemble selon la revendication 1 ne contient qu'un type 15 d'ensemble.
4. 4° Le dispositif selon la revendication 1 est caractérisé par le fait qu'il peut fonctionner en circuit ouvert ou fermé avec tout type de fluide, gaz ou liquide. 20 5°Le dispositif selon la revendication 1 et la revendication 3 est caractérisé par le fait qu'il peut fonctionner avec tout type de source thermique. 6°Le dispositif selon la revendication 1,2,3 et 4 est caractérisé par le fait que l'enceinte externe contient tout, partie ou rien des deux types d'ensembles. 25 7° Le dispositif selon la revendication 2 est caractérisé par le fait que chaque ensemble d'un groupe peut fonctionner ou non en parallèle ou en série avec un, plusieurs ou tous les ensembles de son groupe. 30 8° Le dispositif selon la revendication 6 est caractérisé par le fait que les dimensions et le nombre relatifs des deux ensembles peuvent varier selon les besoins. Par exemples : Le ou les ensembles 1 peuvent être plus grand, plus petit ou de taille égale aux ensembles 2. 9° Le dispositif selon la revendication 8 est caractérisé par le fait que chaque ensemble 35 d'un groupe peut être activé et contrôlé de façon dynamique. 40