Brevet FR2261428A1 — publié le 19750912

La présente invention concerne une tchine thermique d'un nouveau genre, destinée par conséquent à la production d'énergie,et eapable de résoudre le probléme de l'utilisation de la chaleur à basse température(énergie thermique de la ner,de la terrs-géothermie-ou de l'atmosphère) dans des conditions de rendement acceptables. Les sources actuelles de production énergétique sont:le barrage hydroélectrique,la centrale atomique,la machine électrique,la machine thermique.Le barrage hydro-électronique posséde l'avantage de donner une énergie inépuisable et gratuite;malheurusement;barrer nn fleuve est une entreprise onéreuse et modifie l'écologie;les sites sont rares-remarque qui s'applique également à l'usine maremotrice-et l'implantation ne correspond pas souvent aux exigences industrielles:l'usine se trouve ainsi loin de la zone industrielle ou d'un réservoir de main dtoeuvresil fauf alors des lignes de transport d'énergie,des transformateurs et des lignes d'interconnexion.La centrale atomique n'a jusqu'ici donné que des résultats discutables;elle demande des investissements énormes,nécessite des matiéres premiéres(uranium,plutonium) couteuses et nécessitant un raffinage onéreux.Enfin,la possibilité d'une catastrophe est une menace à considérer::en cette matiére,il est notoire que l'homme se laisse toujours dépasser par l'événement(sabotage,négligence,insouciance);et puis se posera avec acuité le probléme des déchets.La ##chine electrique-machine réceptrice-nécessite une ligne électrique,car lesaccumulateurs sont lourds et encombrants.On a donc confié au moteur thermique (centrale ther mique à turbine,turbo-train,re#teur d'avion,diésel,moteur à explosion) le role immense de promouvoir notre société industrielle... Or le moteur thermique-tel qu'il est conçu actuellement-a été imaginé ainsi parce que l'on ne connait pas le moyen de construire un moteur thermique à basse température.Si l'on fait exploser de ltessence dans un cylindre,si l'on a fait la course aux hautes températures,si Iton a substitué le pétrole au charbon,c'est uniquement pour améliorer son rendement,donc son efficacité,ro celle-ci est soumise aux impératifs du second principe de la thermodynamique qui dit expressément que ce rendement sera d'autant neilleur que la différence de température entre source chaude et source froide sera grande-et jusqu'ici l'on ne tonnait guére le moyen d'obtenir un "condenseur" à basse temuératu- re;;alors il faut se contenter d'une source chaude aussi élevée que possible en température-d'ou l'emploi dupétrole-tandis que la source froide descendra rarement au dessous de la température a biante(23 C à 10 C) C'est ainsi que Georges Claude -ayant voulu utiliser"lenergie thermique des mers"-sous une différence de température 26 (easu de surface) et I30C eau profonde)dut abandonner ce magnifique projet:le "condenseur" n'était pas assez froid,et le rendement atteignit à peine####. 5%1. Les tentatives pour reprendre les idées de Georges Claude ont toutes échoué;ou si elles ont donné des résultats intéressants,ils sont loin d'étre suffisants;la meilleure des réalis#ations actuelles -du reste patronnée par l'AhVAR -est celle de Dakar,Bossey-Bangou,Cuadagoudou,sous l'égide du C.N.R.S(institut de physique météorologique de Dakar);m#### il semble que l'on ait quelque peu surestimé leur intéret réel:l'installation-utilisart du méthane-fonctionne sous une différence de température de 70 C-obtenue dans des insolateurSsophistiqués(couche monomoléculaire) 23 (température ambiante)et avec un rende ont thermodynam##ue de 8%. Evidement,si lton disposait par exemple d'une machine thermique fonctionnant entre +I0 C(283 K) et - 161 C(II2 K) l'on obtiendrait un rendement thermodynamique de 6o;un moteur bien réalisé ayant un rendement mécanique de 50%,l'on obtiendrait en rendement effectif :60 x 50 = 30% rendement concurentiel avec la meilleure turbine;nous pourrions-au lieu de prendre du méthane qui se liquéfie à -161 C prendre des corps se liquéfiant à température plus élevée::éthyléne,chlorure d'éthyle; ous ntobtien- drions pas des rendements aussi élevés;ou bien si nous parvenions dans cette m#chine d'un nouveau genre à liqu#fier l'azote,le rendement thermodynamique s'éléverait à 7I% ;alors,un avion stratosphérique volant à I2 Kilométres d'altitude par un froid de -I20C pourrait fonctionner avec ce type de Troteur,qui ne necessiterait autre carburant que l'air athmosphérique d'une façon générale,peu importerait que l'on utilise la chaleur de l'air ambiant,celle de l'océan,la chaleur solaire;;cette éner gie serait non polluante,inépuisable et gratuite:le probléme étant l'invention d'un cycle thermodynamique au cours duquel un gaz,pris à la température ambiante,se liquéfiera en fin de cycle;le présent brevet décrit donc la théorie de la machine thermique à b sse température;le certificat d'addition qni est déposé en méme temps généralise ces conceptions en l'étendant à tout domaine de la thermodynamiquegles revendications du certificat l'addition ont donc dans cette optique une étendue beaucoup plus vaste qne celles du présent brevet,destiné à décrire la théorie du nouveau cycle et la réalisation pratique d'un appareil de laboratoire;; votre fortune,en effet ,ne suffirait pas s'il fallait déposer à l'INPI toutes les tachines utilisant le nouveau cycle que l'on va maintenant décri ous n'avons pas attendu la"crise du pétrole"pour essayer de réaliser ce grand rêve de l'utilisation des chaleurs naturelles:comme en témoignent des brevets antérieurs sur ce demaine:MACHINE THERMIQUE A HAUT RENDEMENT q 303,68 du 8 décembre 1968,et:MACHINE THER IQUE A GAZ LIQUIDE N 7I0I867 du I3 janvier I97I,refusés par l'ALVAR en raison d'une violation du second principe...Mais en relisant le brevet::MACHINE THERMIQUE A HAUT RENDEMEMT,on y reconnaitra-trés exactement décrit-le cycle expliqué ci-aprés,à ceci prés qu'au lieu de pistons,nous utilisions des dispositifs volumétriques.Nous pensons que cette antériorité justifie les revendicatuons telles qu'elles sont rédigées dans le certificat d'addition.La ma chine thermique dé rite dans le brevet principal,et surtout le perfectionnement ajouté dans le ertifieat d'addition-étendra donc les possibi lités de l'actuellemachine thermique au rendement détestable en I'élarg sant de maniére à en faire un -oteur concurrentiel avec les moteurs ther iques à haute température::que ces machine soient à pistons,volumétriques,à compresseurs ou turbines,ce qui est important, ce n'est pas le mo > en utilisé,mais le fait que seuil le cycle thermodynamique décrit ci os sous est le seul moyen pour parvenir à la réalisation de la machithermique à basse température,ntilisant en particulier un froid considérable au condenseur;notre machine-utilisant la chaleur ambiante-revétira ainsi une infinité de formes. Nous allons maintenant décrire les mécanisme qui permettent de réaliser un type primaire de -ette machine.Pour cela,rapnelons brièvement la notion de vapeur saturante mise en évidence par l'expérience suivante soient donc deux barométres(fig i)dont la partie supérieure est vide l'air et dont par conséquent la hauteur au dessus e la cuvette est: : 76cms.Si nous introduisons dais le vide barométrique du premier de lé- ther,celui-ci va se vaporiser et la vapeur sera dite saturante lorsque ule nouvelle introduction d'éther laissera à la surface une couche liqui le;si nous procédons ainsi pour le second barométre-en re--la4ant l'éther par de lteau,on observe que la pression de vapeur saturante est différente entre l'éther et l'eau pour la température donnée;c'est pourquoi si le mercure descend de x dans le Ier barométre,il descendra de r' dans le 2éme-étant entendu que x et différent de i' et que par x consé quant?la tension de vapeur d'un des fluides est supérieure à celle de l'autre::les physiciens disent simplement qu'à méme température,les ten sions de vapeur saturantes ne sont pas les mémes;ces différences varient du reste,on le sait avec les températures:voici quelques chiffres(mm Hg) eau: 4,6 à 0 ; 9,2 à I00; 760 à I000 ; 149I à I200 éther,I84 à 0 ;237 à I0 ;4950 à I000 ; 7720 à I200 bien sur,-ous le savons depuis Carnot,deux machine thermiques utilisant deux fluides différents -eau ou éther-auront rigoureusement le méme rendement si elles fonctionnent dans le méme intervalle de température.Mais @entrons simplement qu'une machine thermique utilisant deux fluides différents ntest rien d'autre qu'une machine du type le plus élémentaire. Ainsi,nous disposerons de deux capacités de méme volume et à la méme température,et ces deux cylindres sont parcourus par des pistons emhiellés d'une façon antagoniste(fig.2)Il est évident que puisque les tensions de vapeur sont différentes,le cylindre contenant de l'éther va vaincre la résistance offerte par la tension de l'autre cylindre,contenant de la vapeur d'eau;le systéme évoluera vers l'état représenté fig.3.Que a' est-il donc passe?L'éther,de tension plus forte,s'est deténdu isother# miquement et a donc perdu QI calories-qui selon le principe de l'équiva- lence-donné un travail équivalent;lteau au contraire,de tension infé rieure a été comprimée isothermiquement;elle a donc gagné Q2 calories;; Or cette machine n'est rien d'autre-montrons-le maintenant-qu1une forme particuliére de la machine de Watt:en effet,pas de machine thernodyna mique sans cycle,et pas de cycle,évidement,s ns retour à l'état initial Or que faut-il pour revenir à l'état initial,sinon éliminer Q2,chaleur apparue au cours du cycle.Le calcul du rendement d'un tel cycle se fera en écrivant: travail mécanique fourni par la tachine = travail moteur moins travail résistant,soit:QI-Q2 Chaleur fournie par la machine au cours du cycle:QI a été fournie,mais Q2 a été éliminé;d'ou chaleur fournie Q2;et le rendement ne sera que le rapport de ces deux gr ndeurs(travail/chaleur): N = QI Q2 ;cette tachine n'est donc qu'une ##chine thermique QI ordinaire;elle a certes quelques originalités qu'il convient de noter:en effet,le cyclindre qui perd QI tories tient le role de "source chaude",celui qui reçoit Q2 calories,le rale de"source froide";et si la machine de Watt accomplissait ces deux opéra tions en deux temps distincte,il est trés remarquable de constater qu'avec ce type de machine,la détente(haute température chez Watt) et la compression(basse température) se sont faites ici simultanément. Si nous retrouvons dans ce type de machine les enseignements classiques de la thermodynamique ,il ne faut pas nous en étonner:par exemple,Q2 sera d'autant plus petit que la température initiale sera élevée.Un simple coup d'oeil au tableau précédent nous l'indique: A 00C,le différence entre les tensions d'eau et d'éther est de: I84 - 4,6 =I79,4 et à I00 C :4950 -760 =4I90 selon les principes élémentaires de thermodynamique,par conséquent,au fur et à mesure que l'on s'éleve dans l'echelon des températures,la valeur de l'énergie utile augmente(c'est à dire que le rendement de la machine croit)alors que l'énergie à céder au condenseur diminue. Ce qutil convient également de noter,c'est que l'état original de cette machine était monetherme,par hypethése;or nous savons depuis Carnot qu'une telle machine ne peut fournir du travail;comme notre machine 1'a fait, il faut nécessairement qu'elle ait évolué d'un état monotherme à un état comportant des différences de ton. pérature: ce que l'expérience confirme; Cet état sera fonction de la grandeur respective de QI et Q2 qui devront étre aussi différents que possible pour que l'on rec#euille du travail. Ta machine a donc évolué elle-méme pour établir une différence de température qu'on avait omis de lui donner au départ.Dans ce raisonnement,nous avons admis que nous pourrions retourner à l'état initial à condition d#pporter au cycle QI,ce qui ne pose pas de problèmes si nous disposons d'une source de chaleur;et à condition"d'éliminerQ2;c'et précisé ent ce que fait la machine classique;mais on le comprend maintenant,ce#tte qua ntité Q2,c'ets l'énergie"cédée an cendenseur".Comment reviendra t'on aux conditions initiales?;;nous relierons simplement les deux capacités éther et eau par une eommunicationtfig 4)Cons#tatons maintenant que le mélange des gaz va s'accomplir suivant la loi de Dalton,c'est à dire que la somme des pressions partielles sera la méme sur les deux faces des pistons,en raison de mélange des gaz, et si nous voulons revenir aux condi tions ilitialessetest à ô dire faire en sorte que nos capacités aient méme volumeweeei ne nous routera (aux frottements prés) pas do travail,car il était simplement d'un transfert de gaz à volume constant.Nous arrivons donc à l'état figure en fig 5;mais maintenant les deux gaz sont mélangés; ;et pour revenir à l'état initial,îl faudra les séparer-donc les distiller:ce qui couvera théoriquement une quantité de chaleur Q3. QI ne pourra jam##s étre nul,puisque c'est l'énergie thermique dont on VE@ tranSformer une partie en travail;Q2 ne le sera jamais(2éme principe) Démontrons que Q3 peut l'étre.En effet,l'on se souviendra de l'aspect usu el d'une courbe de distillation(fig.6).B est la courbe de bulles,R la eourbe de rosée.En abcisses nous représentons le pourcentage des élé monts l'un par rapport à 1' autre(concentration moléculaire de O à I00%) en ordonnées,les températures;T::température d'ébullition du constituant le moins volatif,T'ebulition du constituant le plus volatil(pour une pression considérée).Or que se pisse t'il lors du nélange de nos deux gaz? Tes Q2 calories cédées au"condenseur" vont maintenant échauffer le gaz du cyclindre"éther",refroidi par la précédente détente adiabatique;la température du mélange sera donc une moyenne entre celle du gaz le plus chaud et celle du gaz le plus froid,selon les réglos de la calorimétrie. Tl est évident que si QI et Q2 ont été calculés convenablement,et que si l'on connait le volume des gaz mis en oeuvre et les capacités calorifiques de chacun, ce qui ne pose pas de-probléme,nous pourrons toujours nous arranger pour réaliser des conditions expérimentales telles que la tem- pérature du mélange gazeux en fin de cycle soit telle qu elle soit intermédiaire entre la température d'ébullition du constituant le plus volatil et celle du constituant le moins volatif;;et s'établisse par conséquent à la tempéreture T "représentée sur la courbe.Une simple lecture nous indique qu'en ce cas,la température est suffisante pour provoquer la séparation des constituants selon les proportions indiquées par l'axe des abcisses,et que nous pouvons par exemple choisir de maniére qui elles soient égales(50% de chaque constituant).Mais il est évident qui si le mélange se trouve à température convie amble pour distiller dans les conditions indiquées,il ne sera pas indispensable d'apporter de la chaleur. Aussi,maintenant que nous connaissons la théorie,décrivons les disposi tifs nécessaires pour réaliser cette aachine:(fig7).R est un réservoir contenant un mélange liquide ch > ffé à une certaine température;cette température sera soigneusement calculée en fonction du titre du mélange de maniére à être intermédiiare entre les deux températures d'ébullition des deux constituants.Re est un rectificateur à boules-ou mieux,une co lonne à plateaux.En conséquence,le mélange,porté et maintenu à la tempé rature convenable,distillera::la valeur résultante sera plus riche dans le constituant le plus volatil et celui-ci va s'accumuler dans la partie supérieure du rectificateur,tandis que la partie inférieure sera plus riehe en constituant le moins volatil.Il est même aisé d'obtenir n e"distillation parfaite".Puis nous dirigerons-par des ca-alisations convenablement calorifugées-chaque vapeur sur deux pistons respectifs e viellés de telle sorte que si l'un se détend sous l'effet d'une tension pkus forte,l'autre aura tendan e à effectuer le mouvement inverse;;et glissant sans frottements à l'intérieur de deux cylindres C)eau) et C (éther) r tige Ap réunissant ces deux cylindres est une tige rigide,cintréecomme les pistons eux-mêmes arc de cercle de centre 0,articulée en et et Z' sur les pistons.un dispositif de distribution D est en communica- tion d'une part avec C(éther) et -C'(eau),de l'autre avec la partie supéries re et la partie inférieure du rectificateur.Son rôle sera de mettre en cosmunication soit la partie supérieure du rectifieateur avec C,et la partit inférieure avec C';soit de mettre C et C' en communication en isolant le rectificateur.une forme simple de ce dispositif peut étre réalisée ainsi' (fig 8)::une pallete diamétrale P sé#re une #vité cylindrique K en deux parties égales;la partie supérieure du rectificateur est ainsi en communica- tion en C avec le Ier cylindro(éther);et la partie inférieure en co muni- cation vec C'(eau).Sur l'axe O de P est calée une tige T',terminée par un anneau Â,coulissant à frottement doux autour de l'axe Ap,et terminée par une tige T terminée par un contrepoids M-L'axe Ap porte une bague-butée B,calée sur lui,fixée à une distance telle de A que lorsque le piston de la capacité C descendra,elle rentrera en contact avec lui Alors en trainant A dans sa course,elle fera tourner l'axe TT' autour de O d'un angle &alpha;; Le contrepoids M se relèvera donc de la hauteur H,eu méme temps que la palette P-qui aura tourné de langle&alpha; -viendra se placer sur l'axe xy et mettra ainsi C et C' en communication tout en isolant le rectifica tour; les gaz se mélangeant,les pressions vont s'équilibrre,et sous l'effet de M,ltensenble redescendra et tournera en sens inverse d'un angle &alpha; pour revenir à l'état initial.Alors le cycle recommencera. Bien sûr,cet instrument est primaire:ce qui nous intércase,ce n'est nas-encore une fois-d'utiliser un moyen aussi primitif pour obtenir de l'énergie,mais de mettre en évidence l'intéret d'un tel cycle thermodynanique qui seul permettra la réalisation de la achine thermique a basse température dé rite dans le certificat d'addition.I)écrivons donc ce cycle::(abaque de clapeyron,fig9)Don#,tandi que le premier piston détend le gaz,le second le comprime.Le point A représente la pression DtT rremier gaz,A',celle du second,et il est évident que A et A' seront sur la méme verticale(isochrone)puisque par hypothése2les volumes sont alors les mémes;;puis le premier gaz se détend isothermiquement et parcourt AB,le second se comprime et parcourt A'B'-ceci Jusqu'à ce que les pressions s'équilibrent.Par conséquent,B et B' seront sur la même horizontale(isobare).Notons que puisque les tensions élastiques sont par hypothéé- se différentes,les isothermes AB et A'B',dans ce type de machine,n'auront nas nécessairement le même traçé.Lors du mélange des gaz,que se passe t'il les pressions,identiques de part et d'autre,en raison de la loi de Dalton comme expliqué precédemment,vont s'équilibrer-d'autre part au mécanisme va-sans effectuer d'autre travail que elui nécessaire à vaincre les frottements-remettre l'ensemble dans l'état initial-tout au moins en ce qui concerne les volumes de départ.En conséquence,B et 131 ,allant à la rencontre l'un de l'autre vont se rencontrer en C,seul point du diagram- me ou les volumes et les pressions sont les mêmes.Puis-la distillation s'accomplissant-ceci,avons nous admis-sans apport de chaleur supplémen taire-les gaz reprendront leur pression primitive(à condition que le cy cle dispose d'une chaleur Q1-Q2,valeur de l'énergie thermique convertie en travail et qui manque pour que le cycle soit fermé.Ceci admis,tan- dis que le-premier gaz parcourt CA,le second parcourt CA' en sens inverse Le travail mis en oeuvre par ce cycle sera donc proportionnel aux surfa ces S et S',délimitées par les isothermes(ou adiabatiques),les isobares et les isochores.I1 sera inférieur au cycle idéal de Carnet,déterminé en rendement par la différence de tellpérature;quand au calculs,les paramé tres seront ici::pression saturante des gaz et température au début de cy cle.Le rendement est lié à la différence des pressions de vapeur saturan te,elle-méme liée à la température.C'est donc elle l'élément caractéris tique du rendenient.La machine ainsi décrite dans le brevet principal aura donc un faible rendement:mais le certificat d'addition montrera l'intéret de ce cycle pour la réalisation de la véritable machine thermi ue à basse température aux appliations fabuleuses... La lithine décrite dans le présent brevet sera surtout un engin d'expéri- ence pour le C1-SS de DaLar ou un engin de laboratoire;on en fera aussi des petits jouets,des mécanisnes égayant les vitrines ou es appareils pédagogiqnes.Peut-étre servira t'elle à 1 'ali-entation en énergie des phares et balises.Montée sur un satellite,elle lui orienterait ses anten- nes.Elle sera utilisée pour donner de 1 'é!ler--ie sous faible température. REVENDICATIONS i)MACHINE THERMIQUE possédant un cycle thermodynamique oroginal:deux iso thermes(ou adiabatique)deux isobares,deux isochores;destinée à servir d'engin de laboratoire pour réaliser ultérieurement une machine thermi- que à basse température,fonctionnant avec un rendement acceptable. Caraetérisée par le fait qu'elle comporte deux cylindres emplis de gaz différents et qui-échangeant leurs chaleurs-permettent de réaliser le cy c## revendiqué. 2) dispositif selon la revendication i. Caractérisé par le fait que le doyen employé pour que les deux cylindrea échangent leur chaleur est de les faire parcourir par deux pistons ré nis par une bielle,et montés de telle maniére qu ils travaillent en oppo sition. 3)dispositif selon la revendication i. caractérisé par le fait que le moyen pour obtenir un gaz à basse tempé rature est un rectificateur à boules(ou une colonne à plateaux)reliée à sa partie inférieure et à sa partie supérieure à deux orifices d'un dis tributeur. 4) dispositif selon la revendication 3) caractérisé par le fait que le distributeur est également relié par deux tuyauteries aux deux cylindres 5)dispositif selon la revendication 4. caractérisé par le fait que le distributeur est un corps cylindrique cou- pé diamétralement par une palette,et que les quatre orifices du distri buteur:deus correspondant aux cylindres,deux correspondant à la partie inférieure et à la partie supérieure du reetificateuriou colonne à pla teaux)sont disposes de maniére à ce que la palette en tournant ou bien nette en communication les deux cylindres en isolant le recitificateur(ou la eolonne)ou bien nette les cylindres en communication avec la partie supérieure-?our l'un,et la Tartie inférieure-rour l'autre du rectifica teurnou e la colonne) dispositif selon la revendication 5) Caractérisé par le fait que le ne--en pour obtenir le mouvement est cons titué d'une tige diamétrale comportant à l'une de ses extré ités un con REVENDICATIONS(suite) trepoi?s,à l'autre une bague glissant sa s frottenents autour de la bielle de liaison entre les pistons des cylindres,et oscillant autour de l'axe du distributeur. 75Dispositif selon la revendication 6. Caractérisé par le fait que le oyen pour obtenir cette oscillation est une butée calée à distance convenable sur la bielle de liaison entre les cylindres.