WO2021156325A1 - Moteur thermodynamique - Google Patents

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WO2021156325A1
WO2021156325A1 PCT/EP2021/052586 EP2021052586W WO2021156325A1 WO 2021156325 A1 WO2021156325 A1 WO 2021156325A1 EP 2021052586 W EP2021052586 W EP 2021052586W WO 2021156325 A1 WO2021156325 A1 WO 2021156325A1
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WO
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chamber
hot
cold
fluid
source
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Application number
PCT/EP2021/052586
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English (en)
Inventor
Gilles Brule
Original Assignee
Gilles Brule
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/045—Controlling
    • F02G1/05—Controlling by varying the rate of flow or quantity of the working gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2256/00—Coolers
    • F02G2256/50—Coolers with coolant circulation

Definitions

  • the object of the present invention is a thermodynamic engine, which can be used for the conversion of heat or cold into mechanical energy.
  • the engine can be used, given its low temperature operation, for the recovery of fatal low temperature energies (with deviations of the order of a few tens of degrees).
  • the engine can be used for the production of mechanical energy and indirectly of electrical energy, from a heat source created for the occasion, for example by combustion of a fuel. Which makes it a high efficiency heat engine.
  • Fossil energies (oil, gas, coal, nuclear 7) will be exhausted sooner or later. As of today, we must at least preserve these energies by optimizing their use, and at best find solutions to be able to do without them.
  • the use of renewable energies seems to be an interesting path if one knows not to be dependent on an external factor (sun, wind, water, ).
  • fossil fuels are exhaustible, the energies resulting from the exploitation of hydrocarbons generate CO2-type emissions which contribute to the greenhouse effect and consequently to the climatic disturbance that we are experiencing.
  • thermodynamic engines operate by following well-known cycles, of which one can quote: the RANKINE cycle, the BRAYTON cycle, the cycle STIRLING, the CARNOT cycle.
  • BRAYTON cycle which characterizes piston combustion engines.
  • the BRAYTON patent (US 125166) of 1872 describes an open combustion cycle for a piston engine. BRAYTON was not the first to look at this type of cycle. Before him BARBER, (patent UK1833) in 1791, SIEMENS (patent UK2074) in 1860 and ERICSSON (patent UK6409) in 1833, had worked on this type of engine.
  • the efficiency of the STIRLING cycle is equivalent to the efficiency of a CARNOT cycle.
  • the operation of STIRLING engines requires high pressure and heat. Their use is restricted to certain niche markets.
  • Our engine is characterized by the use of a fluid in a closed circuit, working between one (or more) hot room and one (or more) cold room.
  • Each chamber is equipped with a movable partition connected to a mechanical system allowing the recovery of the mechanical energy produced.
  • Our engine is powered by a hot source and a cold source.
  • the purpose of the hot spring is to supply the hot chamber with calories through the wall of the purpose of the room and the cold source is to evacuate calories from the cold room through the wall of the room.
  • the cold fluid (from the cold room) is injected into the hot room. Under the effect of the temperature difference, the cold fluid captures calories and expands and / or increases in pressure. This variation is converted into mechanical energy by moving the movable partition. At the end of the cycle, the hot fluid is evacuated to allow the restart of a new cycle.
  • the hot fluid (from the hot room) is injected into the cold room. Under the effect of the temperature difference, the hot fluid releases calories and contracts and / or drops in pressure. This variation is converted into mechanical energy by the displacement of the movable partition. At the end of the cycle, the cold fluid is evacuated to allow the restart of a new cycle.
  • FIG. 1 represents a possible embodiment with 2 combined cylinders and substantially identical chamber sections (not shown in the figure, the system for managing the movement of the cylinder and the distribution system).
  • the hot chamber 1 is maintained at temperature by the hot source 3, provided here by the circulation of a heat transfer fluid.
  • the wall of the chamber transmits heat from the hot source to the cold fluid.
  • the movable partition 5 allows variations in volume during the filling, working and evacuation phase.
  • the rod 7 transmits the forces and allows the movement of the partition 5 to be controlled.
  • the valves 9 and 11 ensure the admission and discharge of the fluid. During the engine phase, the piston comes out under the effect of the increase in pressure in chamber 1.
  • the cold room 2 is maintained at temperature by the cold source 4, provided here by the circulation of a heat transfer fluid.
  • the wall of the chamber transmits heat from the hot fluid to the cold source.
  • the movable partition 6 allows variations in volume during the filling, working and evacuation phase.
  • the rod 8 transmits the forces and allows the movement of the partition 6 to be controlled.
  • the valves 10 and 12 ensure the admission and discharge of the fluid.
  • the piston comes out under the effect of the decrease in pressure in chamber 1.
  • Figure 2 shows a hot room and a cold room operating in a differentiated manner. In this case, differentiated control systems will independently manage the movements of the hot and cold pistons.
  • FIG. 3 diagrammatically represents an assembly of several jacks allowing the complete production of an engine.
  • the jacks are assembled in a star to ensure continuity of the forces transmitted, and on several levels to multiply the power produced.
  • an alternator 30 for use as an electric generator.
  • FIG. 4 represents the different operating steps of the thermodynamic engine, in the case of an installation with combined jacks.
  • Step 0 Filling of the hot room (small emptying of the cold room);
  • Step 1 Heat transfer from heat sources to hot and cold fluids;
  • Step 2 Displacement of the piston under the effect of the increase in pressure in the hot chamber and the decrease in pressure in the cold chamber with recovery of mechanical energy;
  • Step 3 Opening the valves and emptying the cold room
  • Step 4 Filling the cold room and emptying the hot room.
  • FIG. 5 represents the different possibilities of association of the jacks.
  • the chambers can be made to work independently only in one direction (A). It is possible to combine hot and cold rooms (combined); the recovered work is carried out only in one direction (B).
  • the pistons can be used in double effect, independently between the hot rooms and the cold rooms with work recovery in both directions (C). Double-acting jacks can be combined by combining the movements of the hot and cold rooms (D).
  • FIG. 6 represents a cam serving to manage the displacement of the piston of FIG.
  • Figure 7 shows the operation of the engine.
  • Part (A) of FIG. 7 represents the displacement of the piston over a cycle (to be related to FIG. 1).
  • the rise corresponds to the exit of the piston and the descent corresponds to the retraction of the piston.
  • Part (B) of figure 7 represents the temperature variations of the hot fluid in the cold room (decreasing curve), as well as the temperature of the cold fluid in the hot room (increasing curve).
  • Part (C) of FIG. 7 represents the pressure variations in the hot chamber (top curve) and in the cold room (bottom curve).
  • the rise filling the cold room and emptying the hot room.
  • valves are open and the pressure in the chambers is equal to the pressure PO (pressure outside the circuit).
  • Descent filling the hot room and evacuation of the overflow from the cold room (evacuation of the overflow from the cold room is not necessary if you are working with separate pistons). At the end of this phase, the intake valves are closed.
  • a pressure difference was thus generated between the 2 chambers of the jack, and a heat variation was transformed into a pressure variation.
  • the cold chamber discharge valve is opened and evacuation of the fluid from the cold room.
  • the hot chamber discharge valve opens.
  • the heat exchange and energy recovery phases can be separated. This is the case if an isochoric exchange followed by an adiabatic displacement is carried out in the chamber (more interesting in the case of work in the gas phase).
  • the speed of movement of the partition determines the type of transformation carried out. For example for an isochoric transformation, the speed of displacement of the partition is zero (transformation at constant volume).
  • thermodynamic engine takes the following form (see figure 1). It is shown here with a hot room and a cold room one behind the other (combined). The engine can be operated with on one side the hot chamber (s) and on the other side the cold chamber (s) and independent piloting and distribution systems. Likewise, the sections of the hot and cold rooms are not necessarily identical. This representation simplifies the understanding of the operation of the engine.
  • the hot chamber of the engine 1 is maintained at a substantially constant temperature by virtue of the hot source 3.
  • the hot source can be produced by the circulation of a hot heat transfer fluid, by combustion, by a heat pump or any other means capable of to maintain a substantially constant temperature inside the hot chamber.
  • the partition which separates the hot source from the hot chamber will preferably be made of a heat-conducting material of the copper, bronze, brass or aluminum type, in order to optimize the energy transfers. In the event of high temperature, it will be possible to replace these materials with materials with better temperature resistance (such as steel, for example), this will however reduce the efficiency of the system.
  • the hot source can, for example, be supplied by the recovery of fatal energy or by a heat pump, or the combustion of a fuel.
  • the hot chamber is closed by a watertight movable partition 5.
  • An axis 7 linked to this partition makes it possible to manage the phases of displacement of the partition and to recover the energy of the expansion of the fluid via a system of the cam, eccentric or other type. .
  • the hot (empty) chamber, piston at top dead center is filled with cold fluid (in liquid form, wet vapor, or gas) by the inlet valve 9 by lowering the piston or by injection.
  • the cold fluid captures the heat from the hot source 3 through the partition of the hot chamber 1, which causes the fluid to heat up, possibly a phase change.
  • the movement of the movable partition will be controlled to optimize the recovery of the heat received and the power transmitted.
  • the movement of the mobile wall under pressure makes it possible to recover the energy linked to the expansion of the fluid.
  • the exhaust valve 11 opens, there is a balance of pressures.
  • the piston can descend to its bottom dead center (if it is not already there) and go up to its top dead center, exhaust valve 11 open. The cycle resumes from its initial phase.
  • the distribution is a function of the temperatures of the hot and cold sources, ideally the distribution will be adapted to the temperatures of the hot and cold sources, if these temperatures vary.
  • the cold room 2 is kept at temperature thanks to the cold source 4.
  • the cold room is closed by a watertight mobile partition 6.
  • An axis 8 linked to this partition makes it possible to manage the phases of movement of the partition and to recover energy of the contraction of the fluid via a system of the cam, eccentric or other type.
  • the partition which separates the cold source from the cold room will preferably be made of a heat-conducting material of the copper, bronze, brass or aluminum type in order to optimize the energy transfers. In the event of high temperature, it will be possible to replace these materials with materials with better temperature resistance (such as steel, for example), this will however reduce the efficiency of the system.
  • the cold room (empty) is filled with hot fluid (in vapor or gas form) by the inlet valve 10 or by injection.
  • the cold room is empty when the piston is at bottom dead center.
  • filling is effective when the piston has reached top dead center. In the case of an engine with combined cylinders, as in our figure, filling is effective when the piston is lowered according to the filling of the hot chamber.
  • the hot fluid releases heat to the cold source 4 through the partition of the cold room 2, which causes the fluid to contract, possibly a phase change.
  • the movement of the movable partition will be controlled to optimize the release of heat to the cold source and the transmitted power.
  • the exhaust valve 12 opens and there balances the pressures.
  • the cooling of the cold room is provided by the passage of a heat transfer fluid.
  • the distribution is a function of the temperatures of the hot and cold sources, ideally the distribution will be adapted to the temperatures of the hot and cold sources, if these temperatures vary.
  • a buffer zone will eventually make it possible to take into account variations in volumes during the exchange phases.
  • thermodynamic compression On a Rankine cycle for example, the first principle of thermodynamics makes it possible to write:
  • Wdet the work produced by the expansion
  • Wcont the work produced in the cold room by the contraction of the fluid
  • Wdet the work produced in the hot room by the expansion of the fluid
  • Qfr the heat released by the cold source
  • the shape, the thickness of the envelope, the choice of material determines the heat transfer capacity between the chamber and the source. This capacity is expressed in Watt / K and also determines the transmissible power per degree of deviation, and consequently the recoverable motor power.
  • a 40mm diameter copper cylinder, imm thick and 100mm long can transmit a power of 4000W / K over its total length.
  • a return spring can be added (not shown in the drawing) on the jack in order to reduce the time and the return forces of the jack (filling the cold room and emptying the hot room).
  • the management of the displacement will determine how the fluid is transformed.
  • the management of the displacement of the piston can be done as in Figure 2 by a cam 13,14, or by any other means of eccentric type, crank, ...
  • Blocking the piston 5 makes it possible to obtain isochoric heating of the fluid, which may be of interest in the case where the fluid is a gas.
  • the pressure of the hot and cold fluids will approach the intermediate pressure (PI). In this way, there will be no pressure relief when opening the valves.
  • the fluid in liquid form
  • the hot chamber 1 will rise in pressure.
  • the movement of the piston will convert the liquid fluid into vapor.
  • the discharge valve is open, the pressure equilibrium is achieved between the interior of the hot chamber and the transfer circuit at pressure PI.
  • the motor can be sized to work with a gaseous phase fluid, with a phase change, with a dry steam / wet steam cycle or combinations of these cycles.
  • the jack such as that shown in Figure 1 or 2 is therefore controlled by the intermediary of the cam, such as that shown in Figure 6.
  • Point (b) is the point at which the cylinder is at its top dead center, i.e. hot chamber 1 is empty, and cold chamber 2 is full beyond its filling volume optimum.
  • the cold gas at the initial pressure of 20 bars, introduced into the hot chamber, will absorb heat from the hot source and will pass isochorically from the temperature of 0 ° C to the temperature of 100 ° C. Its pressure will therefore increase and go from 20 bars to approximately 27.3 bars, which corresponds to the pressure of the fluid heated in the hot chamber at point (d).
  • the hot gas still at the initial pressure of 20 bars, introduced into the cold room, will cool on contact with the cold source and will pass isochorically from the temperature of 100 ° C to the temperature of 0 ° C. Its pressure will therefore drop from 20 bars to approximately 14.6 bars, which corresponds to the pressure of the fluid cooled in the cold room at point (d).
  • the pressure in the cold room is equal to the initial pressure.
  • the discharge valve 12 opens.
  • the bottom dead center of the cylinder is reached.
  • the cold room is then completely emptied and the hot room drain valve 11 opens at the same time as the cold room drain valve 12 closes and the cold room inlet valve 10 closes. 'opens.

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Abstract

La présente invention concerne un moteur thermodynamique qui fonctionne entre 2 sources de chaleur. Un fluide passe alternativement d'une chambre chaude 1 à une chambre froide 2, le passage d'une chambre à l'autre se fait à pression constante et sans échange de chaleur. La chambre chaude est remplie par le fluide froid à la pression intermédiaire (PI). Le fluide froid va recevoir de la chaleur par la source chaude 3 et la convertir par dilatation en énergie mécanique par poussée sur la cloison mobile 5. L'énergie est transmise par l'axe 7. La chambre froide est remplie par le fluide chaud. Le fluide chaud va libérer de la chaleur à la source froide 4 et convertir sa contraction en énergie mécanique via la cloison mobile 6 et transmise par l'axe 8. Le retour à l'étape initiale se faisant à pression équilibrée, le déplacement du piston est réalisé sans effort.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Moteur thermodynamique
[Domaine technique]
L'objet de la présente invention est un moteur thermodynamique, qui peut être utilisé pour la conversion de la chaleur ou du froid en énergie mécanique.
Le moteur peut servir, compte tenu de son fonctionnement à faible température, pour la récupération des énergies fatales basses températures (avec des écarts de l'ordre de quelques dizaines de degrés).
On peut envisager son utilisation pour :
- améliorer le rendement des centrales thermiques par récupération de la chaleur issue du refroidissement des centrales,
- améliorer le rendement des moteurs thermiques par récupération de la chaleur issue du moteur et/ou des gaz d'échappement,
- récupérer les chaleurs de refroidissement issues des processus industriels,
- récupérer les chaleurs de refroidissement issues de l'industrie informatique (serveurs, ...).
Le moteur peut être utilisé pour la production d'énergie mécanique et indirectement d'énergie électrique, à partir d'une source de chaleur créée pour l'occasion, par exemple par combustion d'un carburant. Ce qui en fait un moteur thermique à haut rendement.
[Etat de la technique]
Les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon, nucléaire...) seront épuisées à plus ou moins courte échéance. Il nous faut dès aujourd'hui, au minimum, préserver ces énergies en optimisant leur utilisation, et au mieux trouver des solutions pour pouvoir s'en passer. L'utilisation des énergies renouvelables semblent être une voie intéressante s'il l'on sait ne pas être tributaire d'un facteur extérieur (soleil, vent, eau, ...). Par aileurs, les énergies fossiles sont épuisables, les énergies issues de l'exploitation des hydrocarbures génèrent des rejets de type C02 qui contribuent à l'effet de serre et par voie de conséquence au dérèglement climatique que nous connaissons.
La plupart de moteurs thermodynamiques fonctionnent en suivant des cycles bien connus, dont on peut cité : le cycle de RANKINE, le cycle de BRAYTON, le cycle STIRLING, le cycle de CARNOT.
Pour la plupart de ces cycles, il faut que l'on ait soit de fortes différences de températures, soit des pressions de fonctionnement élevées, voire les deux. Les moteurs utilisant un cycle de RANKINE, sont souvent réservés à des installations de forte puissance. Même si le fonctionnement de ces moteurs est bien maîtrisé, il peut être complexe dans sa mise en œuvre. Les principaux défauts des moteurs utilisant le cycle de RANKINE, sont souvent d'utiliser des fluides dans des conditions de pression et de température élevées. Le rendement de ces moteurs peut être impacté par l'utilisation d'installations auxiliaires complexes et gourmandes en énergie.
Certains moteurs utilisent le cycle de BRAYTON, qui caractérise les moteurs à combustion à piston. Le brevet BRAYTON (US 125166) de 1872, décrit un cycle de combustion ouvert pour un moteur à pistons. BRAYTON n'était pas le premier à se pencher sur ce type de cycle. Avant lui BARBER, (brevet UK1833) en 1791, SIEMENS (brevet UK2074) en 1860 et ERICSSON (brevet UK6409) en 1833, avaient travaillé sur ce type de moteur.
Une approche, plus au goût du jour, a été réalisée par le révérend STIRLING (brevet UK 4081) en 1816, avec un moteur sans soupape, dont il existe plusieurs versions (alpha, bêta, gamma,..).
En théorie, le rendement du cycle de STIRLING est équivalent au rendement d'un cycle de CARNOT. Dans la pratique, le fonctionnement des moteurs STIRLING exigent de monter haut en pression et chaleur. Leur utilisation est restreinte à certains marchés de niche.
Le rendement de l'ensemble des systèmes décrits ci-dessus est largement impacté par la nécessité d'utiliser un compresseur. L'énergie mécanique disponible en sortie étant égale à l'énergie produite par la détente diminuée de l'énergie nécessaire à la compression
[Exposé de l’invention]
Notre moteur est caractérisé par l'utilisation d'un fluide en circuit fermé, travaillant entre une (ou plusieurs) chambre chaude et une (ou plusieurs) chambre froide. Chaque chambre est équipée d'une cloison mobile reliée à système mécanique permettant la récupération de l'énergie mécanique produite.
Notre moteur est alimenté par une source chaude et une source froide.
La source chaude a pour but d'alimenter la chambre chaude en calories à travers la paroi de la chambre et la source froide a pour but d'évacuer des calories à partir de la chambre froide à travers la paroi de la chambre.
Le fluide froid (issu de la chambre froide) est injecté dans la chambre chaude. Sous l'effet de la différence de température, le fluide froid capte des calories et se dilate et/ou monte en pression. Cette variation est convertie en énergie mécanique par déplacement de cloison mobile. En fin de cycle, le fluide chaud est évacué pour permettre le redémarrage d'un nouveau cycle.
Le fluide chaud (issu de la chambre chaude) est injecté dans la chambre froide. Sous l'effet de la différence de température, le fluide chaud libère des calories et se contracte et/ou baisse en pression. Cette variation est convertie en énergie mécanique par le déplacement de la cloison mobile. En fin de cycle, le fluide froid est évacué pour permettre le redémarrage d'un nouveau cycle.
A l'ouverture des soupapes d'évacuation et d'admission, les pressions s'équilibrent et permettent un déplacement de la cloison mobile sans effort (hormis les efforts de frottement), pour le lancement d'un nouveau cycle.
[Description des dessins]
La figure 1 représente une possibilité de réalisation avec 2 vérins combinés et des sections de chambres sensiblement identiques (non représentés sur la figure, le système de gestion du déplacement du vérin et le système de distribution). La chambre chaude 1 est maintenue en température par la source chaude 3, assuré ici par la circulation d'un fluide caloporteur. La paroi de la chambre transmet la chaleur de la source chaude vers le fluide froid. La cloison mobile 5 permet les variations de volume en phase de remplissage, travail et évacuation. La tige 7 transmet les efforts et permet le contrôle du déplacement de la cloison 5. Les soupapes 9 et 11 assurent l'admission et l'évacuation du fluide. Pendant la phase moteur, le piston sort sous l'effet de l'augmentation de la pression dans la chambre 1.
La chambre froide 2 est maintenue en température par la source froide 4, assuré ici par la circulation d'un fluide caloporteur. La paroi de la chambre transmet la chaleur du fluide chaud vers la source froide. La cloison mobile 6 permet les variations de volume en phase de remplissage, travail et évacuation. La tige 8 transmet les efforts et permet le contrôle du déplacement de la cloison 6. Les soupapes 10 et 12 assurent l'admission et l'évacuation du fluide. Pendant la phase moteur, le piston sort sous l'effet de la diminution de la pression dans la chambre 1. La figure 2 représente une chambre chaude et une chambre froide fonctionnant de manière différenciée. Dans ce cas, des systèmes de pilotages différenciés vont gérer indépendamment les déplacements des pistons chauds et froids.
La figure 3 représente schématiquement un montage de plusieurs vérins permettant la réalisation complète d'un moteur. Les vérins sont assemblés en étoile pour assurer une continuité des efforts transmis, et sur plusieurs niveaux pour multiplier la puissance produite. A l’extrémité est représenté schématiquement un alternateur 30 pour une utilisation en tant que générateur électrique.
La figure 4 représente les différentes étapes de fonctionnement du moteur thermodynamique, dans le cas d'une installation avec vérins combinés. Étape 0 : Remplissage de la chambre chaude (petite vidange de la chambre froide) ; Étape 1 : Transfert de chaleur des sources de chaleurs vers les fluides chauds et froids ; Étape 2 : Déplacement du piston sous l'effet de l'augmentation de pression dans la chambre chaude et de la diminution de pression dans la chambre froide avec récupération d'énergie mécanique ;
Étape 3 : Ouverture des soupapes et vidange de la chambre froide ;
Étape 4 : Remplissage de la chambre froide et vidange de la chambre chaude.
La figure 5 représente les différentes possibilités d'association des vérins. On peut faire travailler les chambres de manière indépendante uniquement dans un sens (A). On peut associer les chambres chaudes et froides (combinés) le travail récupéré s'effectue uniquement dans un sens (B). Les pistons peuvent être utilisés en double effet, de manière indépendante entre les chambres chaudes et les chambres froides avec récupération de travail dans les 2 sens (C). On peut associer les vérins double effet en combinant les déplacements des chambres chaudes et des chambres froides (D).
La figure 6 représente une came servant à gérer le déplacement du piston de la figure
1.
La figure 7 permet de visualiser le fonctionnement du moteur.
[Description détaillée]
La partie (A) de la figure 7 représente le déplacement du piston sur un cycle (à mettre en relation avec le figure 1). La montée correspond à la sortie du piston et la descente correspond à la rentrée du piston.
La partie (B) de la figure 7 représente les variations de température du fluide chaud dans la chambre froide (courbe décroissante), ainsi que la température du fluide froid dans la chambre chaude (courbe croissante).
La partie (C) de la figure 7 représente les variations de pression dans la chambre chaude (courbe du dessus) et dans la chambre froide (courbe du dessous).
Au point (a), le piston est sorti au maximum, il est au point mort bas. Au point (b), le piston est rentré au maximum, il est au point mort haut. La phase motrice du piston est comprise entre les points (d) et (a).
La montée : remplissage de la chambre froide et vidange de la chambre chaude.
Les soupapes sont ouvertes et la pression dans les chambres est égale à la pression PO (pression à l'extérieur du circuit). On peut considérer que si les mouvements se font suffisamment vite, il n'y a pas d'échange de chaleur.
La descente : remplissage de la chambre chaude et évacuation du trop-plein de la chambre froide (l'évacuation du trop-plein de la chambre froide n'est pas nécessaire si on travaille en pistons dissociés). A la fin de cette phase, les soupapes d'admissions sont fermées.
Ensuite, la course du piston est bloquée, les chambres chaudes et froides sont fermées. Comme illustré sur la partie (B) de la figure 7, le fluide froid présent dans la chambre chaude absorbe des calories et se réchauffe, ce qui entraîne la montée en pression de la chambre (voir partie (C) de la figure 7).
Le fluide chaud présent dans la chambre froide, quant à lui cède des calories ce qui entraîne la baisse de la pression dans la chambre froide (voir partie (C) de la figure 7).
On a ainsi généré une différence de pression entre les 2 chambres du vérin, et on a transformé une variation de chaleur en variation de pression.
Lors de la descente, avec déplacement du piston sous l'effet de la variation de pression entre les 2 chambres avec récupération d'énergie, avant la fin de cette descente, il y a ouverture de la soupape d'évacuation de la chambre froide et évacuation du fluide de la chambre froide. Au point le plus bas de la descente s’effectue l'ouverture de la soupape d'évacuation de la chambre chaude.
Le fonctionnement du moteur étant intermittent, on peut associer plusieurs vérins ensemble ou utiliser un volant à inertie, pour assurer la continuité du mouvement.
Les phases d'échange de chaleur et de récupération d'énergie peuvent être dissociées. C'est le cas si l'on réalise dans la chambre un échange isochore suivi d'un déplacement adiabatique (plus intéressant dans le cas du travail en phase gazeuse).
La vitesse de déplacement de la cloison détermine le type de transformation réalisée. Par exemple pour une transformation isochore, la vitesse de déplacement de la cloison est nulle (transformation à volume constant).
On peut aussi avoir une phase d'échange de chaleur combinée avec la phase de récupération d'énergie par exemple quand on veut profiter d'un changement de phase, l'échange de chaleur accompagnera de déplacement sous l'effet du changement de phase.
Le moteur thermodynamique se présente sous la forme suivante (voir figure 1). Il est représenté ici avec une chambre chaude et une chambre froide l'une derrière l'autre (combinées). On peut faire fonctionner le moteur avec d'un côté la (les) chambre(s) chaude(s) et de l'autre la (les) chambre(s) froide(s) et des systèmes de pilotage et de distribution indépendants. De même les sections des chambres chaudes et froides ne sont pas forcément identiques. Cette représentation simplifie la compréhension du fonctionnement du moteur.
La chambre chaude du moteur 1 est maintenue à une température sensiblement constante grâce à la source chaude 3. La source chaude peut être réalisée par la circulation d'un fluide caloporteur chaud, par une combustion, par une pompe à chaleur ou tout autre moyen susceptible de maintenir une température sensiblement constante à l'intérieur de la chambre chaude. La cloison qui sépare la source chaude de la chambre chaude, sera de préférence en matériau conducteur de chaleur de type cuivre, bronze, laiton ou aluminium, afin d'optimiser les transferts d'énergie. En cas de haute température, il sera possible de remplacer ces matériaux par des matériaux ayant une meilleure tenue en température (comme par exemple l'acier), ceci diminuera cependant le rendement du système.
La source chaude peut, par exemple, être alimentée par de la récupération d'énergie fatale ou par une pompe à chaleur, ou la combustion d'un combustible.
La chambre chaude est fermée par une cloison mobile étanche 5. Un axe 7 lié à cette cloison permet de gérer les phases de déplacement de la cloison et de récupérer l'énergie de la dilatation du fluide via un système de type came, excentrique ou autre. La chambre chaude (vide), piston au point mort haut, est remplie par du fluide froid (sous forme liquide, vapeur humide, ou gaz) par la soupape d'admission 9 par abaissement du piston ou par injection.
Le fluide froid capte la chaleur de la source chaude 3 au travers de la cloison de la chambre chaude 1, ce qui entraîne un échauffement du fluide éventuellement un changement de phase.
Le déplacement de la cloison mobile sera contrôlé pour optimiser la récupération de la chaleur reçue et la puissance transmise. Le déplacement de la paroi mobile sous pression permet de récupérer l'énergie liée à la dilatation du fluide.
A la fin du cycle de chauffage / détente, la soupape d'échappement 11 s'ouvre, il y a équilibre des pressions. Le piston peut descendre jusqu'à son point mort bas (s'il n'y est pas déjà) et remonter jusqu'à son point mort haut, soupape d'échappement 11 ouverte. Le cycle reprend à partir de sa phase initiale.
La distribution est fonction des températures des sources chaudes et froide, idéalement la distribution sera adaptée aux températures des sources chaudes et des sources froides, si ces températures varient.
La chambre froide 2 est maintenue à température grâce à la source froide 4. La chambre froide est fermée par une cloison mobile étanche 6. Un axe 8 lié à cette cloison permet de gérer les phases de déplacement de la cloison et de récupérer l'énergie de la contraction du fluide via un système de type came, excentrique ou autre. La cloison qui sépare la source froide de la chambre froide sera de préférence en matériau conducteur de chaleur de type cuivre, bronze, laiton ou aluminium afin d'optimiser les transferts d'énergie. En cas de haute température, il sera possible de remplacer ces matériaux par des matériaux ayant une meilleure tenue en température (comme par exemple l'acier), ceci diminuera cependant le rendement du système
La chambre froide (vide) est remplie de fluide chaud (sous forme vapeur, ou gaz) par la soupape d'admission 10 ou par injection. La chambre froide est vide, lorsque le piston est au point mort bas.
En cas de moteur avec vérins dissociés, le remplissage est effectif quand le piston est arrivé au point mort haut. En cas de moteur avec vérins combinés, comme sur notre figure, le remplissage est effectif lorsque le piston est redescendu en fonction du remplissage de la chambre chaude.
Le fluide chaud libère de la chaleur vers la source froide 4 au travers de la cloison de la chambre froide 2, ce qui entraîne la contraction du fluide éventuellement un changement de phase. Le déplacement de la cloison mobile sera contrôlé pour optimiser la libération de la chaleur vers la source froide et la puissance transmise.
A la fin du cycle de refroidissement, la soupape d'échappement 12 s'ouvre et il y équilibre des pressions.
Le refroidissement de la chambre froide est assuré par le passage d'un fluide caloporteur. La distribution est fonction des températures des sources chaudes et froide, idéalement la distribution sera adaptée aux températures des sources chaudes et des sources froides, si ces températures varient.
Une zone tampon permettra éventuellement de tenir compte des variations de volumes pendant les phases d'échange.
Première constatation : Les échanges de fluide entre les vérins se font à pression égale. Ce qui veut dire que ce type de moteur fonctionne sans avoir à fournir de compression mécanique classique.
Deuxième constatation : Le fluide comprimé fournit un effort moteur sur le piston, de même que le fluide contracté fournit un effort moteur sur le piston.
Le rendement de notre moteur, combinant une contraction moteur avec une détente moteur permet d'obtenir de très bons rendements.
Avec les moteurs avec compression classique de la thermodynamique (sur un cycle Rankine par exemple), le premier principe de la thermodynamique permet d'écrire :
Qch + Wcomp = Qfr + Wdet avec
Qch = la chaleur fournie pour la source chaude
Wcomp = le travail fourni pour réaliser la compression
Qfr = la chaleur libérée par la source froide (refroidissement)
Wdet = le travail produit par la détente Le rendement du moteur est donc : h = (Wdet - Wcomp)/Qch
Sachant que le travail récupérable du système est égal à :
Wutil = Wdet -Wcomp
Avec notre moteur on peut écrire :
Qch = Wcont +W det +Qfr avec
Qch = la chaleur fournie par la source chaude
Wcont = le travail produit dans la chambre froide par la contraction du fluide Wdet = le travail produit dans la chambre chaude par la détente du fluide Qfr = la chaleur libérée par la source froide Le rendement de notre moteur est donc : h = (Wdet + Wcont)/Qch
Sachant que le travail récupérable de notre moteur est égal à :
Wutil = Wcont + Wdet
Ceci va se traduire par une amélioration sensible du rendement du moteur et une baisse, tout aussi sensible, du besoin en refroidissement.
La forme, l'épaisseur de l'enveloppe, le choix de la matière détermine la capacité de transfert de chaleur entre la chambre et la source. Cette capacité est exprimée en Watt / K et détermine aussi la puissance transmissible par degré d'écart, et par conséquence la puissance moteur récupérable.
A titre d'exemple, un cylindre de 40mm de diamètre en cuivre, d'imm d'épaisseur et d'une longueur de 100mm, peut transmettre une puissance de 4000W/K sur sa longueur totale.
Plus la durée de remplissage sera courte, et moins le fluide aura le temps d'échanger de la chaleur avec la paroi de la chambre pendant la phase de remplissage. On pourra ajouter (non représenté sur le dessin) un ressort de rappel sur le vérin afin de diminuer le temps et les efforts de retour du vérin (remplissage de la chambre froide et vidange de la chambre chaude).
La gestion du déplacement va déterminer de quelle manière le fluide se transforme. La gestion du déplacement du piston peut se faire comme sur la figure 2 par une came 13,14, ou par tout autre moyen de type excentrique, manivelle,...
Le blocage du piston 5, permet d'obtenir un échauffement isochore du fluide, ce qui peut être intéressant dans le cas où le fluide est un gaz. A la fin des transformations dans chacune des chambres, on va idéalement s'arranger pour que la pression des fluides chauds et froids se rapproche de la pression intermédiaire (PI). De cette manière, il n'y aura pas de palier de pression lors de l'ouverture des soupapes.
Dans le cas où le fluide reste en phase gazeuse, plus la pression PI sera élevée, et plus la densité énergétique du gaz le sera aussi.
Dans le cas où le fluide est utilisé avec un changement de phase, le fluide (sous forme liquide) va subir un échauffement. Cet échauffement fera monter la chambre chaude 1 en pression. Plus réchauffement sera important et plus la pression sera élevée. Le déplacement du piston permettra de convertir le fluide liquide en vapeur. A la fin de la première phase, la soupape d'évacuation est ouverte, l'équilibre des pressions est réalisé entre l'intérieur de la chambre chaude et le circuit de transfert à la pression PI.
Dans le cas d'utilisation de PROPANE une différence de température de 30K permettra d'obtenir une différence de pression de l'ordre de 8 bars entre les 2 chambres (cette pression est la pression usuelle d'un réseau pneumatique) toutefois la pression intermédiaire PI sera de l'ordre d'une douzaine de bars.
Dans le cas d'utilisation de BUTANE une différence de température de 30K permettra d'obtenir une différence de pression de l'ordre de 3 bars entre les 2 chambres (différence de pression inférieure qu'avec l'utilisation du PROPANE mais suffisante pour réaliser le déplacement de la cloison mobile).
Le moteur peut être dimensionné pour travailler avec un fluide en phase gazeuse, avec un changement de phase, avec un cycle vapeur sèche/vapeur humide ou des combinaisons de ces cycles.
En se référant aux figures 6 et 7, on considère l’exemple de Tutilisation d’un gaz considéré comme parfait. La source froide est à 0°C, et la source chaude est à 100°C. On considère également pour cet exemple que toutes les transformations sont parfaites et qu’il y a équilibre parfait de température à la fin de chaque phase de chauffage et de refroidissement.
Le vérin, tel que celui représenté à la figure 1 ou 2, est donc piloté par l’intermédiaire de la came, telle que celle représenté à la figure 6.
Le point (b) est le point en lequel le vérin est à son point mort haut, c’est — à-dire que la chambre chaude 1 est vide, et que la chambre froide 2 est pleine au-delà de son volume de remplissage optimum.
En ce point (b), la soupape d’admission 10 de la chambre froide 2 est ouverte. C’est à ce moment que s’ouvre la soupape d’admission 9 de la chambre chaude 1.
En passant du point (b) au point (c), la rotation de la came permet à la chambre chaude
1 de se remplir, et réduit en même temps le volume de la chambre froide 2. Au point (c), les soupapes d’admission 9 et 10 sont fermées, et les volumes respectifs des chambres chaude
2 et froide 1 sont fermés hermétiquement.
Le gaz froid, à la pression initiale de 20 bars, introduit dans la chambre chaude, va absorber de la chaleur issue de la source chaude et va passer de manière isochore de la température de 0 °C à la température de 100 °C. Sa pression va donc augmenter et passer de 20 bars à environ 27,3 bars, ce qui correspond à la pression du fluide réchauffé dans la chambre chaude au point (d).
En même temps, le gaz chaud, toujours à la pression initiale de 20 bars, introduit dans la chambre froide, va se refroidir au contact de la source froide et va passer de manière isochore de la température de 100 °C à la température de 0 °C. Sa pression va donc chuter de 20 bars à environ 14,6 bars, ce qui correspond à la pression du fluide refroidi dans la chambre froide au point (d).
Sans différence de pression à rintroduction des gaz chaud et froid, par réchauffement du gaz froid et refroidissement du gaz chaud, une différence de pression se créé entre les deux chambres. Cette différence de pression, d’environ 12,7 bars dans notre exemple, va permettre de produire le déplacement du piston. Au point (d), le piston pourra se déplacer, libérer l’énergie emmagasinée et entraîner la came en rotation. Pour un piston de section circulaire de 40 mm de diamètre, la poussée exercée est de l’ordre de 160 daN.
Au point (e), la pression dans la chambre froide est égale à la pression initiale. Il y a ouverture de la soupape d’évacuation 12. Au retour au point (a), on atteint le point mort bas du vérin. La chambre froide est alors complètement vidée et la soupape d’évacuation 11 de la chambre chaude s’ouvre en même temps que la soupape d’évacuation 12 de la chambre froide se ferme et que la soupape d’admission 10 de la chambre froide s’ouvre.
Le retour du point (a) au point (b) permet ensuite de remplir la chambre froide 2 et de vider la chambre chaude 1.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur thermodynamique utilisant un fluide qui travaille en cycle fermé entre une chambre chaude (1) où il reçoit de la chaleur et une chambre froide (2), où il libère de la chaleur, et où, en même temps que le fluide échange de la chaleur, il produit de l'énergie, le passage du fluide d'une chambre à l'autre s'effectuant à pression identique ou quasiment, ce qui veut dire que les échanges de fluide, entre chambres, se font quasiment sans effort, la chambre chaude (1) étant équipée d'une cloison mobile et étanche (5), d'une tige de gestion des déplacements et transmission d'efforts via une came (13) ou un système équivalent, de soupapes d'admission (9) et de refoulement (11) pilotées suivant les besoins, la chambre étant maintenue à température par la présence d'une source chaude (3) qui fournit de la chaleur, la chambre froide (2) étant équipée d'une cloison mobile et étanche (6), d'une tige de gestion des déplacements et transmission d'efforts via une came (14) ou système équivalent, de soupapes d'admission 10 et de refoulement 12 pilotées suivant les besoins, la chambre étant maintenue à température par la présence d'une source froide 4 qui absorbe de la chaleur.
2. Moteur thermodynamique selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu ’ il comprend une chambre tubulaire de source chaude (3), l'alimentation de la source chaude se situant à une extrémité de la chambre tubulaire, le retour de la source chaude se situant à l'extrémité opposée de la chambre tubulaire
3. Moteur thermodynamique selon l’une quelconque des revendications précédentes, ca ractérisé en ce qu’il comprend une chambre tubulaire de source froide 4, l'alimentation de la source froide se situant à une extrémité de la chambre tubulaire, le retour de la source froide se situant à l'extrémité opposée de la chambre tubulaire.
4. Procédé de génération de mouvement d’un moteur thermodynamique selon l'une quel conque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui vantes :
• Le fluide froid est injecté dans la chambre chaude (1) par la soupape d'admission de chambre chaude (9), en captant la chaleur de la source chaude, • Le fluide transmet de l'énergie par déplacement de la cloison mobile de chambre chaude (5), pilotée via la tige de chambre chaude 7 qui permet aussi de gérer la montée et la descente en pression dans la chambre chaude (1).
• Une fois toute l'énergie du fluide transmise au système extérieur via la tige de chambre chaude 7, le fluide est évacué par la soupape de refoulement de chambre chaude (11).
5. Procédé de génération de mouvement d’un moteur thermodynamique selon l'une quel conque des revendications 1 à 3 ou procédé de génération de mouvement selon la re vendication précédente caractérisé en ce qu'il concerne les étapes suivantes
• Le fluide chaud est injecté dans la chambre froide (2) par la soupape d'admission de chambre froide 10, en libérant de la chaleur à la source froide,
• Le fluide transmet de l'énergie par déplacement de la cloison mobile (6), pilotée via la tige de chambre froide 8 qui permet aussi de gérer la montée et la descente en pression dans la chambre froide (2).
• Une fois toute l'énergie du fluide transmise au système extérieur via la tige de chambre froide 8, le fluide est évacué par la soupape de refoulement de chambre froide 12.
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