Brevet FR2478197A1 — publié le 19810918

Les besoins énergétiques modernes impliquant l'utilisation de faibles écarte de températures, soit à des fins de récupération soit an fonctionnant sur les températures naturellement accessibles, font ressortir le problbme de cycles à vitesse lente, qui est de stocker l'anergie mécanique nécessaire au processus de retour du fluide de travail à l'état initial. Les premibres machines à vapeur t Savery 1896, Papin et Newoomen 1705, Watt 1769, quoique souvent appliquées au pompage à basse vitesse méconnaissaient le principe du cycle thermique ddcrit en 1824 par Carnot et les suivants Joule Rankine et Clausius. Entre temps ses vérins à vapeur avaient atteint des vitesses assez élevées pour que l'énergie cinétique variant au cours du cycle apportât un moyen simple de réaliser des cycles fermés. L'objet des machines lentes décrites ci-après est de réaliser un cycle thermodynamique auto-reproductible, c'est-à-dire de produire cycliquement un travail mécanique à partir de transferts de chaleur et d'un potentiel capable de stocker l'énergie nécessaire au rstour du cycle. On réalise le meilleur cycle en effectuant les transferts aves changement de phase @ apport et rejet de chaleur à pression constante; on forme le cycle par deux adiabates ; afin de maximiser le travail par unité de volume traité on a intérêt en effet b traiter un fluide en vapeur humide 3 dans ce domaine les isobares sont aussi des iso- thermes. Par contre les adiabates ne sont réalisables que ai elles se font assez rapidement pour minimiser les transferts de chaleur entre phases en présence. La difficulté de réaliser un tel cycle est de réaliser les transferts d'énergie mécanique suivant la loi 8 pression constante et la loi adiabatique, c'est-à-dire pression décroissants à volume crois sant ou inversement s la réalisation des lois adiabatiques, compressions ou expansions, requiert une force (proselon) qui diminue en se déplaçant dans se direction et absorbe de l'énergie ou inversement. Pour expliquer l'objet de l'invention se référer à la figure 1a de la planche 1 qui représente un tel cycle ABCD par un graphe pression-volume : AB est un processus d'apport de chaleur Q (vaporisation à pression et température constante) suivi d'une détente adiabatique BC de la vapeur ; puis d'un processus CD de rejet de chaleur Q' (condensation à pression et température constante) et enfin d'une compression adiabatique DA. Si on ne dispose pas de l'énergie cinétique d'un volant, en raison de la lenteur du cycle, la réalisation du cycle ABCD requiert en général la mise en oeuvre simultanée de 2 sortes de mécanisme t - un mécanisme capable d'absorber du travail dans un potentiel et de le restituer pour effectuer le processus de retour CDA - un mécanisme de transmission d'un travail force x déplacement qui permette de réaliser l'adiabate BC après une expansion à pression constante AB ; mécanisme qu'on appellera transducteur dans ce qui suit. Le transducteur a plus généralement pour fonction de réaliser au cours du déplacement un rapport de force entre le récepteur et la différence entre la force motrice (Pression tempe Moteur) et la force dérivant d'un potentiel, appliquées simultanément au piston mobile. Les transducteurs décrits ci-après établissent s soit un rapport variable, constant, puis variable comme celui représenté sur la figure lb, soit constant puis variable comme celui de le figure 3a, soit continuellement variable comme celui de la figure 5b. Le principe dr l'invention exposée est donc d'accoupler sur le cylindre moteur deux mécanismes d'absorption de travail de façon à ce que les deux travaux soient accomplis simultanément. L'objet de l'invention est de définir les moyens requis pour effactuer les transferts d'énergie mécanique nécessaires à la réalisation d'un cycle à vitesse lente, sans disposer de l'énergie cinétique d'un volant et d'en décrire divers iodes de réalisation 3 les dispositifs d'apport Q et de rejet Q' de chaleur pouvant autre quelconques, et réalisés selon des moyens connus. Plusieurs modes particuliers de réalisation possible de l'in vention seront décrits ci-après à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels i - la figure 1a, planche 1, représente comme de dit dans un graphe pression-volume un cycle qu'on se propose de réaliser, - la figure lb, planche 1, , montre schématiquement un moyen de réali- ser ce cycle à l'aide de dispositifs mécaniques représentés, et de dispositifs d'apport et de rejet de chaleur qui ne sont pas r@pré- senties, - la planche 2 représente trois moyens de réalisation d'un potentiel conformément b l'invention par des vues schématiques de dispositifs montrant l'absorption et la restitution de travail t figure 2e : dans un potentiel de gravité par une poulie de forme, figure 2b i dans un potentiel élastique par un ressort à genouillère, figure 2e X dans la déformation d'une membrane élastique précontrainte, - la planche 3 représente deux moyens de réalisation d'un transduc- teur de travail mécanique conforme h l'invention t figure 3e t un transducteur linéaire b genouillère guidée, figure 3b : un transducteur circulaire par poulie b secteur articulée, - la planche 4, figure 4, est une vue schématique d'un dispositif d'accouplement des deux mécanismes d'absorption de travail sur un cylindre, - la planche. 5 montre un moyen de réaliser un autre cycle que la planche 1. Le principe de l'invention est illustré par la figure 1b qui re présente un fluide de travail décrivant le cycle ABCD de la figure la dans un cylindra moteur où un piston se déplace entre un point mort haut PMH et un point mort PMB. Les dispositifs d'apport et de rejet de chaleur Q et Q', ne sont pas représentés mais peuvent aller du transfert au traver@ des parois du cylindre, b des injections directs de fluide caloporteur chaud et froid, voire 9 une combustion interne, toua processus connus. Sur ce cylindre moteur, on a accouplé un mécaniame d'absorption de travail dans l'élévation d'un poid@ conforme à la figure 2a, planche 2, décrite ci-après, avec un mécanisme transducteur actionnant une pompe, conforme 8 la figure 3a, planche 3, décrite ci-après. Le cycle étant assez lent, d'une période de quelques dizaines de secondes, on aboutit par la combinaison de tels dispositifs i une machine très simple, adaptée a des sources chaude et froide disponi- bles économiquement. Dans le ode de réalisation d'un potentiel pour l'absorption et la restitution d'un travail représenté par la figure 2a, le potentiel utilisé est l'élévation d'un poids par une poulie came : un cSble 1 attaché au point A d'une poulie de forme 2 supporte un poids 3. Un second câble 4 supporte la réaction r et équilibre le poids. L'angle d'enroulement est proportionnel au déplacement x du piston, donc la cylindrés. La poulie 2 a une forme adaptée b l'obtention d'une loi adiabstique F x K de A a D (K étant le coefficient polytropique du fluide de travail) et une forme circulaire de B 9 C donnant une force F constante.La force de réaction F varie comme la distance horizontale du câble 1 9 l'axe et cette variation est représentée au bas de la figure 2a. Dans la variante de réalisation d'un potentiel représentée par la figure 2b, le potentiel utilisé est la déformation d'un ressort b genouillère t Un ressort 5 est contraint par uns bielle 6 t se dépla- cer suivant son axe par un tendeur 7. Une des extrémités de la bielle 6 est contrainte b se déplacer par la glissière 8 dans la direction perpendiculaire a l'axe du ressort, l'autre extrémité est fixée sur le ressort.Une force r appliquée an extrémité de bielle entre les glissières contraint le ressort tout en restant pratiquement cons- tante sur un déplacement suffisant de la longueur de bielle par rapport 8U déplacement. Dans la variante de réalisation d'un potentiel représentée par la figure 2c, le potentiel utilisé est la grande déformation d'une membrane élastique précontrainte, constitue par un élastomère t Une membrane élastique 9 est précontrainte par une hémisphère rigide 10 collés sur la bride 11. Par un orifice 12 un fluide est introduit et dilate la membrane qui a la propriété de se déformer sous une pression quasi constante. Le fluide est transvasé dans les deux sens dans un vérin par exemple. Les transducteurs schématisés dans la planche 3 sont des écanis- mes de transmission d'un travail force x déplacement t par opposition aux mécanismes précédents qui réalisent un potentiel capable s'absorber et de restituer un travail. * Le transducteur représente planche 3, figure 3a, ost linéaire i Une tige 13 se déplace sous l'effet d'une force E suivent son axe et entraîne une genouillère 14 maintenue entre deux guides 15 de forme appropriée pour donner une loi adiabatique de E alors que la réaction P est constante. Cette même genouillère 14 se déplace ensuite entre les guides 16 parallèles. Le transducteur représenté planche 3, figure 3b, est circulaire i Une poulie 17 comportant un secteur circulaire fixe 18 et un secteur circulaire articulé 19 autour d'un axe 20 est maintenue an position par une --roulette 21 roulant sur une came fixe 22. Une force 23 est appliquée au câble 24 s'enroulant sur les deux secteurs 18 et 19. Un autre câble 25 s'enroulent sur une partie rigide circulaire solidaire de la poulie équilibre la force poids 23. Un exemple de machine thermique lente constituée de certaine éléments précédemment décrits est représenté par la planche 4, qui montre le cycle qu'on se propos de décrire, A l'aide d'un système comprenant : une source chaude 26 qui peut être par exemple de l'eau chaude et qui par descente du flotteur 27 actionné par le mouvement du piston baigne le cylindre de travail 28, rempli d'un fluide vaporisable par la source chaude, - une source froide 29 qui par ouverture de la vanne 30 permet d'injecter du fluide refroidi en phase liquide par la buse 31 sous lfac- tien du ressort 32 agiseant sur le cylindre d'injection 33, - une poulie motrice 34 circulaire, sur laquelle s'enroule un câble fixé en extrémité de la tige 35 du piston moteur, et qui est montée sur un arbre de transmission 38, - une poulie de stockage 37 montée sur l'abre 36 9 laquelle est suspendu un poids 38.Le câble est attaché sur une came 39 fixée en extrémité du secteur circulaire de la poulie 37 de façon à assurer une loi de pression ACD, en fonction de la course, - une poulie de travail 40 montée sur l'arbre 36 et actionnant tou- jours par un câble enroulé une pompe 41 représentée ici par une membrane déformable. La poulie est circulaire sur un premier secteur et devient spirale de forme appropriée sur un deuxième secteur de façon b assurer une loi de pression ABD, en fonction de la course. Les machines faisant l'objet de l'invention ne sont pas nécessairement limitées en vitesse comme celle d.ssesite planche 4. Elles sont plut8t caractérisées, par opposition aux machines 9 volant, en se qu'elles ne stockent que l'énergie nécessaire au tempe retour, alors que l'énergie stockée dans un volant sous forme cinétique est plusieurs fois l'énergie du temps ou des temps retour, et de ce fait implique une procédure spéciale de démarrage. Or on peut très bien, è l'aide des mécanismes énumérés planches 2 et 3, exploiter des cycles a gaz tels que eelui représenté sur la planche 5 : ce cycle IJKM, figure 5a, dans un graphe pV est obtenu par deux adiabatea et deux isochores au cours desquels il y a injection et éjection de masse bm au travers de soupapes commandées. Quoique ces machines ne soient plus limitées en vitesse comme précédemment, un seul temps est moteur st l'énergie cinétique dss parties mobiles s'annule aux deux points morts. Pour réaliser une évolution d'état conduisant au rendement maximum il faut là aussi disposer de mécanismes assurant des lois de forces adaptées aux dé- placements. A titre d'exemple on a représenté sur la planche 5, figure 5b, trois mécanismes liés au piston mobile : - un transducteur 42 qui transfère l'énergie utile au travers d'un mécanisme précédemment décrit, figure 3e, - un mécanisme è poulie 3 secteur articulé 43 donnant uns force déri- vant d'un potentiel à ressort, - un ressort 44 qui lié à des masses en mouvement par exemple 45 absorbe les efforts inertiels dus 9 ces masses en tant que résonateur 3 énergie potentielle nulle en milieu de course. On peut évidemment combiner ce dernier élément (résonateur) avec les autrss mécanismes. REVENDICATIONS 1.- Une chambre cycliquement déformable contenant un fluide de tra vail dont les changements d'état compte tenu des transferts de chaleur, décrivent un cycle thermodynamique suivent une loi pression-volume pendant le temps motsur ob le volume ds la chambre augmente, et une autre loi pression-volume, pendant le temps retour ou le volume de la chambre diminue, lois déterminées par l'action de deux forces t - l'une dérivant d'un potentiel qui pendant le temps moteur absorbe un travail égal h celui nécessaire au temps retour et le reetitue suivent la loi déterminée pression-déformation du temps moteurs - l'autre absorbant un travail utile dans un récepteur au travers d'un transducteur assurant la loi déterminée pression-déformation du temps moteur quelle que soit la loi de force du récepteur. 2.- Une chambre cycliquement déformable suivant la revendication 1 caractérisée en ce que la force dérivant dsun potentiel est produite par un poids (3) suspendu par un câble (p) enroulé sur une poulie de forme (2) adaptée b l'obtention de la loi pression-volume choisie peur le temps retour et transmis au piston mobile par un autre câble (4) enroulé sur une partis circulaire (figure 2e). 3.- Une chambre cycliquement déformabîs suivant la revendication 1 caractérisée en ce que la force dérivant d'un potentiel est produite par un ressort (s) relié au piston mobile paP un embiellage (6) (7) (a) guidé de façon b obtenir la loi pression-volume choisie pour le temps retour (figure 2b). 4.- Une chambre cycliquement déformable suivant le revendication I caractérisée en ce que la force dérivant d'un potentiel est assurée par un vérin hydraulique relié mécaniquement au piston mobile et hydrauliquement b une capacité Q membrane élastique (9) assurant une loi de pression volume conforme à celle choisie pour le temps retour (figure 2c). 5.- Une chambre cycliquoment déformable suivant la revendication 1 caractérisée en ce que la force dérivant d'un potentiel est assurée par un ressort agissant sur le secteur articulé dune poulie (43) et transmettant la réaction per un secteur circulaire de ladite poulie au piston mobile, le secteur articulé étant positionné au cours de la rotation de le poulie par uns came fixe donnant la loi prsssion-wolume choisie pour le temps retour (figure 5b). 6.- Une chambre cyoliqusment déformable suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le transducteur de force entre le piston mobile (13) et le récepteur de travail utile est constitué d'un systbme de genouillère double (14) se déplaçant entre deux pistes rigides (15)(16) dont le forme assure au cours du temps travail une variation de force entre les deux extrémités du transducteur telle que pour une caractéristique donnée du récepteur une loi pression-volume choisie soit obtenue sur le piston mobile (figure 3a). 7.- Une chambre cycliquemant déformable suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le transducteur de force entre le piston mobile at le récepteur de travail utile est constitué d'une poulie (t7) dont un secteur circulaire (22) est relié par un câble (25) au piston mobile alors qu'un autre secteur (18)(19) de la même poulis est articulé (19) (20) et maintenu en position par une roulette (21) suivant une came fixe (22), le cible (24) fixé en extrémité de ce secteur étant relié au récepteur de travail utile (figure 3b). 8.. Une chambre cycliquement déformable suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le mécanisme réalisant la force dérivant d'un potentiel qui restitue le travail nécessaire au temps retour est com plate par un système masse-ressort (44)(45) 9 énergie potentielle nulle å mi-course, maximum aux deux pointe morts, adapté pour absorber les efforts inertiels dus aux masses en mouvement (figure 5b).