Brevet FR2261412A1 — publié le 19750912

L'invention concerne un moteur thermique à fonctionnement en cycle mixte. Le moteur de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une source de fluide sous pression se condensant fortement en cours de de tente adiabatique, des moyens reliant cette source à un organe moteur, des moyens pour la compression du fluide gazeux détendu issu de l'organe moteur, ainsi que des moyens pour reintroduire séparément, d'une part le fluide gazeux comprimé, d'autre part la partie liquide du fluide issu de l'organe moteur dans la source de fluide sous pression. Suivant une caractéristique de l'invention, le moteur comprend un organe moteur pour la réception sous pression d'un fluide se condensant fortement en cours de détente adiabatique, une enceinte pour la réception du fluide détendu en phase gazeuse et en phase liquide, un compresseur pour le gaz de l'enceinte, un compresseur pour le liquide de cette enceinte, au moins un réservoir pour la réception du gaz et du liquide provenant des compresseurs, ledit réservoir étant par ailleurs relié â organe moteur pour son alimentation. L'invention est representée, à titre d'exemple non limitatif, sur les dessins ci-joints, dans lesquels - La figure 1 est un moteur thermique à piston conforme à l'invention; - La figure 2 est un détail d'une variante de réalisation du moiteur de la figure 1, - La figure 3 est un autre mode de réalisation du moteur de l'invention. Le moteur thermique de l'invention est basé sur un cycle thermo-dynamique dont la particularité essentielle est qutil ne necessite aucune source froide, de façon qu'il soit possible de construire un moteur utilisant des sources de chaleur a basse température, ce qui permet en tout état de cause d'augmenter le rendement du fait que l'intervalle de température dans lequel fonctionne le moteur est situé dans une gamme inférieure à la gamme habituelle. Au-delà de cet avantage, l'invention permet même d'utiliser la chaleur prélevée dans les sources naturelles, voire tout simplement dans liambiance disponible eu il s'vagisse soit de l'eau, soit de l'air. Le cycle mixte ris en oeuvre suivant la présente invention est un cycle thermodynamique applicable avec tous les fluides se condensant fortement en cours de détente adiabatique. La condensation étant un élément essentiel du cycle mixteS la détente devra etre organisée pour obtenir la condensation maximale ce qui interdit en particulier les détentes trop rapides su3ettes à des retards à la condensation. Les différentes phases du cycle sont les suivantes 10 - Remplissage de la chambre de travail de l'organe moteur à l'aide dlun fluide sous pression; 20 - Détente adiabatique de ce fluide au cours du cycle de travail de l'organe moteur; 30 - Remise en volume et pression convenables de la partie du fluide qui est restée sous forme gazeuse; 40 - Injection dans des réserves de cette partie gazeuse repressurisée et de la partie du fluide qui était sous forme liquide apres la détente; 50 - Remise en température du fluide. Dans ce cycle de fonctionnement, le remplissage et la détente adiabatique sont des phases classiques qui fournissent le travail désiré le fluide détendu, résultant du fonctionnement de cet organe moteur. se présentant alors en deux états, gazeux et liquide. La partie gazeuse de ce fluide est alors recomprimée adiabatiquement au troisieme stade du cycle jusqu'à ce qu'elle soit ramenée au volume Vo, ce qui se traduit par une élévation de température de To à T'o, T'o pouvant être inférieur ou supérieur à To. La pression obtenue par cette compression est pratiquement toujours inférieure à Po (pression initiale du fluide) puisque la quantité de fluide recomprimé est très inférieure à la quantité totale introduite. Au quatrième stade de ce cycle, l'injection du liquide dans un gaz surchauffé par la compression (ce qui est le cas pour un gaz se condensant d la détente) se traduira par une vaporisation au moins partielle du liquide (vaporisation qui serait complétée au cinquième stade ci-apres Si elle n'avait éte que partielle), done par une augmentation de la pression. Finalement, au cinquième stade, la remise en température se fera par apport d'une quantité de chaleur Q = Q1 + Q2 + Q3, dans laquelle - Q1 est la chaleur nécessaire pour amener le gaz, après compression, à la température initiale; - Q2, la chaleur nécessaire pour amener le liquide à la température initiale; - R3, la chaleur nécessaire pour vaporiser le liquide à la température initiale. Concernant le fluide pouvant etre utilisé suivant l'invention, il semble que la plupart des fluides, sinon leur totalité, devraient se condenser fortement en détente à partir du point critique. Les fluides les plus intéressants seront cependant ceux où la condensation demeure dans un intervalle de température relativement important, ce qui facilitera la résolution des problèmes techniques Ces fluides seront ceux qui ont une chaleur latente de vaporisation forte ou/et une chaleur spécifique liquide faible. Le cycle mixte, se caractérisant par le fait qu'il ne nécessite pas de source froide, est parti culièrement intéressant si l'on emploie des fluides tels qu'il se produise une condensation suffisante à la détente, a' partir des températures disponibles, et particulièrement à partir de la température ambiante. Ceci conduit à adopter en priorité les fluides ayant une température critique faible, inférieure â ioe0c, et particulièrement inférieure à 350C. Parmi celles-ci, on peut citer le méthane, le krypton, le fluorure de silicium, le fluorure de bore, l'hydrure de Si, l'éthylène, le xénon, le fréon , l'anhydride carboniqueF l'éthane, le trifluochlorure de Si l'acétylène, l'oxyde nitrique, qui, possédant une grande chaleur latente de vaporisationy se condensent fortement. Le moteur thermique de l'invention peut etre de nature quelconque, mais on utilisera de préférence un moteur à piston ou un moteur rotatif. Ainsi, sur la figure 1 ci-jointe, on a représenté un moteur piston se composant d'un piston 1 se déplaçant dans un cylindre 2. En outre, le principe du cycle de l'invention exigeant de faire subir un certain nombre de transformations au gaz, après sa recompression, et d'utiliser pour l'alimentation de l'organe moteur un gaz à une température et à une pression bien précises, on est conduit à utiliser deux réserves R1 et R2, dont 1'une est utilisée pour l'ali- mentation de l'organe moteur, pendant que vautre est remplie et mise en condition de pression et de température. Ces réserves R1 et R2 sont reliées au cylindre 2 de 1'organe moteur par une soupape 3 et des robinets 4 et 5. Cette disposition permet d'alimenter le cylindre 2, soit à partir de la réserve 1 lorsque le robinet d'arrêt 4 est ouvert, alors que le robinet 5 est fermé, soit a' partir de la réserve R2 dans le cas où le robinet 4 est fermé et le robinet 5 ouvert. A la base du cylindre 2 est également prévue une soupape d'échappement 6 qui laisse échapper le fluide détendu se composant d'un mélange de liquide et de gaz, ce fluide détendu étant récupéré dans une enceinte B. Un compresseur de gaz 7 refoule, sous la pression convenable, le gaz prélevé dans l'enceinte B, vers la réserve R1 ou R2 en cours de chargement, les robinets 8 et 9 étant alternativement ouverts et fermés, suivant celui des réservoirs R1 ou R2 qui est utilisé pour l'alimentation du cylindre 2. Egalement, dans ce dispositif est prévu un compresseur de liquide 10, qui injecte la quantité voulue de liquide dans la réserve R1 ou R2, après terminaison de son chargement en phase gazeuse par l'intermédiaire des robinets 11 ou 12 qui sont eux-memes ouverts ou fermés suivant le réservoir R1 ou R2 qui alimente le cylindre 2. Le réchauffement du fluide introduit dans les réservoirs R1, R2 pourrait être obtenu de manière quelconque, par exemple à l'aide d'un serpentin traversant ces réservoirs, le débit du fluide passant par le serpentin étant contrôlé. Il convient en outre de remarquer que le cycle de fonctionnement adopté suivant l'invention exigeant de respecter les conditions initiales du gaz avec une grande précision, les réservoirs RI et R2 de gaz devront être organisés en conséquence. Ainsi, il sera possible d'inclure les réservoirs dans une enceinte contenant un fluide à état de mélange de phase (solide-liquide, liquide-gaz, ou solide-gaz) à la température initiale choisie et, dans ce cas, il sera nécessaire d'inclure dans chaque réservoir une poche extensible dont on pourra contrôler la pression interne pour maintenir la pression initiale au fur et à mesure que le réservoir se vide. I1 sera également possible d'utiliser un réservoir extensible, lui-même inclus dans un autre réservoir contenant un fluide en mélange de phase pour maintenir latempérature et la pression initiales. Une variante de réalisation du moteur à piston de la figure 1 est représentée sur la figure 2 et consiste à n'extraire du cylindre 2 que la partie liquide du fluide en fin de détente. En conséquence, dans ce mode de réalisation, le fluide à l'état gazeux restant dans le cylindre 2 est recomprimé lors du retour du piston et est envoyé directement dans le réservoir en cours de chargement. Dans ce cas, l'organe moteur comprend un cylindre 14 dans lequel se déplace le piston 15, ce cylindre 14 étant organise de manière à faciliter la collecte du liquide, par exemple en inclinant sensiblement à 450, de manière que le fluide en phase liquide puisse s'accumuler dans 1 t angle inférieur 141 de ce cylindre, pour être récupéré dans l'enceinte 16. Cette enceinte 16 est obturée par une soupape 17, de préférence legère et flottante, de manière à ce qu'elle revienne d'elle-même sur son siège pour obturer le conduit 171 des qu'il n'y a plus de liquide à extraire. Dans cette construction, le gaz est par exemple introduit dans le cylindre 1 par le conduit 18, relié au réservoir R1, tandis que le gaz recomprimé par le piston 15 lors du cycle de fonctionnement suivant du moteur thermique, est évacué, à l'état comprimé, vers la réserve R2 par le conduit 19. Il convient de noter que, dans ce cycle de fonctionnement, la détente du fluide devrait être suffisamment lente pour permettre que la condensation s t effectue dans de bonnes conditions. A l'inverse, par une compression rapide, on limitera lavaporisation qui se produirait normalement, puisque la compression d'un gaz est rechauffante. Il est dès lors possible d'éviter la séparation des phases liquide èt gazeuse en recomprimant le tout et en ltenvoyant dans la réserve. Il sera toutefois nécessaire, dans ce cas, de limiter la dimension de la/des réservoirs, car a pression à l'intérieur de ceux-ci ne tardera pas à remonter de manière très importante, ce qui rendrait impossible l'introduction d'une nouvelle quantité de fluide dans le cylindre. Pour obtenir le résultat ci-dessus, une solution consiste à employer un moteur dans lequel les vitesses de piston dans les deux sens sont différentes, ce qui peut en outre être obtenu par la combinaison de plusieurs mouvements circulaires. Par exemple, une épicycloide où les deux roues ont le même diamètre donne, suivant un certain axe, une vitesse dans un sens qui est double de la vitesse dans l'autre sens. Ainsi qu'il l'a été dit plus haut, le moteur rotatif est le type de moteur le mieux adapté. L'organisation étant la même que celle du moteur à piston, compte tenu des particularités du moteur rotatif relatives à la suppression des soupapes, le moteur rotatif présente deux avantages supplémentaires inhérents au cycle mixte 1. - Le fluide étant entraîné dans un mouvement tournant, le liquide plus lourd sera projeté sur la paroi du cylindre, et donc séparable beaucoup plus aisément. Par exemple, une rigole aménagée dans la paroi du cylindre recueillerait le liquide raclé et entraîné par la paroi mobile et serait aspiré facilement pendant l'espace de temps où il est enfermé entre cylindre et paroi mobile. Une disposition intéressante sera d t organiser la rigole selon une courbe légèrement hélicoïdale afin d'éviter tout ressaut qui serait préjudiciable à la longévité du segment d'étanchéité de la paroi mobile. 2. - Les parois fixes du cylindre étant toujours en contact avec du fluide au même stade d'évolution, les échanges thermiques entre parois et fluide en seront fortement diminués. Ceci sera particulièrement favorable quand le moteur fonctionnera dans des gammes de température très basses. Dans un autre mode de réalisation, le moteur de l'invention comporte deux étages distincts ayant des fonctions différentes : - L'étage hautepressionconstitué par un organe moteur du type moteur classique â vapeur fonctionnant en circuit ouvert. Cet étage est alimenté uniquement par la partie liquide du fluide après passage de celui-ci dans une chaudière Le fluide détendu est introduit directement sans compression préalable dans le réservoir d'alimentation de l'étage basse pression. - étage basse pression reçoit d'un réservoir d'alimentation du fluide gazeux dont une partie se condense à la détente. Le liquide est envoyé dans étage haute pression. La partie de fluide restée gazeuse est remise en pression par un compresseur et directement réintroduite dans le réservoir d'alimentation. On notera que le gaz directement réintroduit dans le réservoir d'alimentation de l'étage basse pression étant â une température supérieure à la température initiale, le gaz provenant de étage haute pression devra être à une température inférieure en sorte que le mélange soit à la température voulue. On notera également que 1'étage haute pression sera nécessairement producteur de travail mais que l'étage basse pression pourrait etre dans son ensemble consommateur de travail. Un mode de réalisation d'un tel moteur à deux étages distincts est représenté sur la figure 3, Dans cet exemple, le fluide provenant du réservoir d'alimentation 20 est introduit dans le cylindre basse pression 21 par la soupape d'admission 22. Après détente, le fluide est, grâce a la soupape d'échappement 23, envoyé dans la bâche 24 où il se sépare en gaz et en liquide. Le liquide est envoye par le compresseur 25 dans la chaudière 26 d'où il alimente par la soupape 27 dans l'organe moteur 28 de l'étage haute pression 28. Après détente, le fluide est envoyé par la soupape d'échappement 29 dans le réservoir d'alimentation 20. Parallelement > le gaz situé dans la boche 24 est recomprimé par le compresseur 30 et est également renvoyé dans le réservoir d'alimentation 20. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, a partir desquels on pourra prévoir vautres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDI CT IONS 10) Moteur thermique à fonctionnement en cycle mixte, caractérisé en ce qu'il comprend une source de fluide sous pression se condensant fortement en cours de détente adiabatique, des moyens reliant cette source a' un organe moteur, des moyens pour la compression du fluide gazeux détendu issu de l'organe moteur, ainsi que des moyens pour réintroduire séparément, d'une part le fluide gazeux comprimé, d'autre part la partie liquide du fluide issu de l'organe moteur, dans la source de fluide sous pression. 20) Moteur thermique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend un organe moteur pour la réception sous pression dun fluide se condensant fortement en cours de détente adiabatique, une enceinte pour la réception du fluide détendu en phase gazeuse et en phase liquide, un compresseur pour le gaz de l'enceinte, un compresseur pour le liquide de cette enceinte, au moins un réservoir pour la réception du gaz et -du liquide provenant des compresseurs, ledit réservoir étant par ailleurs relié à l'organe moteur pour son alimentation. 30) Moteur thermique conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de fluide sous pression comprend deux réservoirs ainsi que des moyens pour les relier alternativement a' l'organe moteur. 40) Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour la compression du fluide gazeux détendu, issu de l'organe moteur, sont constitués par l'organe moteur proprement dit, qui comprime le fluide en phase gazeuse lors de son cycle de fonctionnement suivant. 50) Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide mis en oeuvre est constitué d'un ou plusieurs corps simple ou composé, dont l'un au moins se condense en cours de détente adiabatique. 60) Moteur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'intervalle de température dans lequel se produit la condensation du fluide est compris entre 1730K et 373 K. 70) Moteur conforme aux revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le fluide est mis en oeuvre dans un intervalle de température et de pression débutant au-dessus de la zone critique du fluide et se terninant en-dessous. 80) Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux étages un étage haute pression alimenté uniquement par la partie liquide du fluide et un étage basse pression alimenté drune part par la partie gazeuse du fluide et d'autre part par le fluide gazeux détendu sortant de l'étage haute pression.