Brevet FR3017212A1 — publié le 20150807

Le domaine technique dans lequel s'applique l'invention est celui des machines thermiques à cycle de Stirling. Celles-ci peuvent être utilisées comme moteur, pompe à chaleur ou machine cryogénique. Plus particulièrement, l'invention est un dispositif expérimental pour effectuer un test comparatif entre une solution de référence et une solution à évaluer. L'état de la technique antérieure proposait un seul régénérateur situé entre le réchauffeur et le refroidisseur. Cela avait pour conséquence une utilisation trop fréquente du réchauffeur et du refroidisseur à la place du régénérateur lors des variations adiabatiques de températures dans les espaces de détente et de compression. La structure classique proposait d'utiliser deux pistons avec la succession entre eux d'un espace de détente, d'un réchauffeur, d'un régénérateur, d'un refroidisseur et d'un espace de compression. L'invention a pour objet de tester les performances de différents types de machines Stirling comportant des systèmes échangeurs / régénérateurs différents. La structure selon l'invention propose d'utiliser un (deux) régénérateur(s) supplémentaire(s) pour rendre isothermes, s'il le faut, les espaces de détente et de compression. Pour chaque utilisation qui est faite de la machine thermique à cycle de Stirling, on fait varier la structure. On fait varier cette structure à l'aide d'un dispositif expérimental, sujet de la présente invention. On effectuera alors des tests pour déterminer, parmi plusieurs utilisations possibles qui peuvent en être faites, la structure optimale de la machine parmi les différentes structures possibles. Plusieurs tests sont donc à effectuer. L'invention est un dispositif expérimental destiné à tester des performances 25 comparées de machines thermiques à cycle de Stirling mettant en oeuvre des systèmes échangeurs/régénérateurs thermiques et dans lesquelles un fluide caloporteur d'une machine thermique circule alternativement entre une première chambre dont un volume est fonction de la position d'un premier piston et une seconde chambre dont un volume est fonction de la position d'un second piston. Le dispositif comporte au moins deux 30 circuits agencés en parallèle de sorte que le fluide caloporteur peut circuler entre la première chambre et la seconde chambre par un seul desdits au moins deux circuits, chacun des dits au moins deux circuits pouvant être commutés entre une position ouverte dans laquelle le fluide caloporteur peut circuler entre la première et la seconde chambre par ledit circuit et une position fermée dans laquelle le fluide caloporteur contenu dans ledit circuit est isolé des volumes des première et seconde chambres, au moins un des au moins deux circuits comportant des systèmes échangeurs / régénérateurs ou des éléments des systèmes échangeurs / régénérateurs. Il est ainsi possible de comparer rapidement et dans des conditions similaires des configurations de 5 machines différentes sans qu'il soit nécessaire de réaliser et tester différentes machines. Dans une forme de réalisation chacun des au moins deux circuits est commuté entre la position ouverte et la position fermée un moyen de vannes agencées dans les circuits. Les vannes sont des vannes multivoies dans lesquelles un seul des circuits peut être en position ouverte à la fois. Il est ainsi possible de reconfigurer rapidement le 10 dispositif pour tester les systèmes échangeurs / régénérateurs présents dans chacun des circuits. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel un volume occupé par le fluide caloporteur est identique dans chacun des circuits agencés en parallèle. Il est ainsi possible de comparer dans des conditions similaires différentes configurations 15 Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel au moins un des circuits comporte une cavité d'ajustement du volume occupé par le fluide caloporteur dans ledit circuit. Il est ainsi possible de comparer les performances d'au moins un système échangeurs / régénérateurs avec celles d'une cavité d'ajustement. Dans une forme de réalisation chaque circuit comporte un système échangeurs / 20 régénérateurs formé de l'ensemble des éléments constituant ledit système échangeurs / régénérateurs. Il est ainsi possible de comparer les performances des systèmes échangeurs / régénérateurs dans leur ensemble. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel des éléments de systèmes échangeurs/ régénérateurs communs aux systèmes échangeurs / régénérateurs 25 des au moins deux circuits sont agencés dans une branche commune aux au moins deux circuits de sorte à se trouver en série avec le circuit en position ouverte. Il est ainsi possible de ne fabriquer qu'une seule fois les éléments de la branche commune. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel au moins deux circuits agencés en parallèle et pouvant être commutés chacun entre une position 30 ouverte et une position fermée sont agencés entre une première extrémité de la branche commune, comportant des éléments communs des systèmes échangeurs / régénérateur, et la première chambre et dans lequel au moins deux circuits agencés en parallèle et pouvant être commutés chacun entre une position ouverte et une position fermée sont agencés entre une seconde extrémité de la branche commune et la seconde chambre. Il est ainsi possible d'agencer le dispositif expérimental suivant de nombreuses configurations tout en ne réalisant qu'une seule fois les éléments de système échangeurs / régénérateurs situés sur la branche commune. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel des moyens de 5 mesure de puissances mécaniques délivrées ou reçues sont agencés sur le premier piston et sur le second piston. Il est ainsi possible de quantifier la puissance mécanique à des fins de comparaison des différentes configurations. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif dans lequel des moyens de mesure de puissances thermiques délivrées ou reçues sont agencés entre le premier 10 piston et le second piston. Il est ainsi possible de quantifier les puissances thermiques à des fins de comparaison des différentes configurations. Dans une forme de réalisation c'est un dispositif comportant des moyens de mesure de température sur un ou plusieurs emplacements des circuits. Il est ainsi possible de mieux comprendre le fonctionnement d'une machine thermique à cycle de 15 Stirling. Les figures 1 à 4 montrent différentes structures possibles. La figure 1 présente celle selon l'état de l'art qui fait office de solution de référence. La figure 2 montre une structure avec deux régénérateurs supplémentaires. Les figures 3 et 4 montrent deux structures avec seulement un seul régénérateur supplémentaire mais à deux endroits 20 différents. Les figures 5 à 6 montrent un premier mode de réalisation du dispositif expérimental permettant de comparer pour une utilisation donnée la structure sans aucun régénérateur supplémentaire avec une structure comprenant deux régénérateurs supplémentaires. 25 Les figures 7 à 10 montre un deuxième mode de réalisation du dispositif expérimental permettant de comparer, pour une utilisation donnée, les différentes structures possibles à savoir: - premièrement, sans aucun régénérateur supplémentaire suivant la figure 7; - deuxièmement, avec deux régénérateurs supplémentaires suivant la figure 8; 30 - troisièmement et quatrièmement, avec un seul des deux régénérateurs supplémentaires mais à deux endroits différents suivant les figures 9 et 10. La figure 11 présente un exemple de réalisation du dispositif expérimental dans lequel une branche commune comportant des éléments de systèmes échangeurs / régénérateurs avec à une première extrémité des éléments de systèmes échangeurs / régénérateurs comportant une pluralité de circuits parallèles commutables, cinq dans l'exemple illustré, et avec une seconde extrémité des éléments de systèmes échangeurs / régénérateurs comportant une pluralité de circuits parallèles commutables, cinq dans l'exemple illustré. Les éléments de systèmes échangeurs I régénérateurs liés à 5 la première extrémité sont situés entre l'espace de détente et la branche commune comportant les systèmes échangeurs / régénérateurs. Les éléments de systèmes échangeurs / régénérateurs liés à la deuxième extrémité sont situés entre l'espace de compression et la branche commune comportant les systèmes échangeurs / régénérateurs. Conformément à l'invention chaque circuit commutable comporte le 10 même volume de fluide caloporteur que chacun des circuits avec lesquels il est commutable. Les pistons sont tour à tour piston de puissance et piston déplaceur dans cette configuration dite de Rider. Dans d'autres configurations décrites ailleurs, un piston est spécifiquement de puissance et l'autre spécifiquement déplaceur. Cela n'enlève rien à la 15 généralité du présent propos. On propose un dispositif expérimental destiné à tester des performances comparées de machines thermiques à cycle Stirling mettant en oeuvre différents systèmes échangeurs/régénérateurs thermiques caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins deux circuits par lequel un fluide caloporteur d'une machine 20 thermique circule alternativement entre une première chambre 2 dont un volume est fonction de la position d'un premier piston 1 et une seconde chambre 6 dont un volume est fonction de la position d'un second piston 7, chacun des au moins deux circuits comportant des systèmes échangeurs / régénérateurs ou des éléments des systèmes échangeurs / régénérateurs différents suivant le circuit considéré. 25 La figure 1 nous donne un modèle de machine Stirling comportant un premier piston 1, un espace de détente 2, un réchauffeur 3, un régénérateur 4, un refroidisseur 5, un espace de compression 6 et un deuxième piston 7. La figure 2 nous donne un modèle de machine Stirling comportant deux régénérateurs supplémentaires. Le premier régénérateur supplémentaire 20 est situé 30 entre l'espace de détente 2 et le réchauffeur 3. Le second régénérateur supplémentaire 60 est situé entre l'espace de compression 6 et le refroidisseur 5. La figure 3 nous donne un modèle de machine Stirling comportant un seul régénérateur supplémentaire 20. Celui-ci est situé entre l'espace de détente 2 et le réchauffeur 3. La figure 4 nous donne un modèle de machine Stirling comportant un seul régénérateur supplémentaire 60. Celui-ci est situé entre l'espace de compression 6 et le refroidisseur 5. Le fluide caloporteur est utilisé pour transporter la chaleur. Le dispositif expérimental comporte des moyens de mesure de la puissance mécanique délivrée ou reçue qui sont agencés sur le premier piston 1 et sur le second piston 2, de moyens de mesure de la puissance thermique délivrée ou reçue qui sont agencés entre le premier piston 1 et le second piston 7 et des moyens de mesure de température sur un ou plusieurs emplacement(s) des circuits. Les conditions expérimentales entre chaque test sont telles que, pour un moteur par exemple, la puissance mécanique délivrée est mesurée pour les mêmes puissances caloriques entrante et sortante mesurée, ceci aux mêmes températures mesurées et lorsque le régime stationnaire est atteint. Le dispositif permet une commutation entre un circuit et un autre circuit et est réalisé au moyen de vannes. Le dispositif a des vannes multivoies orientant le fluide entre deux systèmes échangeurs / régénérateurs ou des éléments des systèmes échangeurs / régénérateurs à comparer. Le dispositif a au moins une cavité qui est agencée sur au moins un des circuits de sorte que des volumes destinés à être occupés par le fluide caloporteur propres à chacun des circuits soient identiques. Suivant un premier mode de réalisation, un premier dispositif expérimental illustré par les figures 5 et 6 permet de comparer les performances obtenues avec les modèles illustrés des figures 1 et 2. Ce premier dispositif est tel que chaque circuit comporte un système échangeurs / régénérateurs avec l'ensemble de ses éléments. Pour cela, plusieurs configurations sont possibles sur le même dispositif expérimental. Deux vannes multivoies 102 et 106 orientent le fluide de travail vers l'un ou l'autre des conduits. Suivant la figure 5, le fluide traverse le conduit du haut, c'est à dire la première cavité 12, le réchauffeur 13, le régénérateur 14, le refroidisseur 15 et la deuxième cavité 16. Suivant la figure 6, le fluide traverse le conduit du bas, c'est à dire le premier régénérateur supplémentaire 20, le réchauffeur 3, le régénérateur 4, le refroidisseur 5 et le deuxième régénérateur supplémentaire 60. Pour une utilisation comme moteur par exemple, on peut, dans un premier temps, faire passer le fluide par le haut c'est à dire via les éléments 12, 13, 14, 15, 16, puis par le bas via les éléments 20, 3, 4, 5, 60. Si on récupère plus de puissance en passant vers le bas que vers le haut, on pourra alors dire que les régénérateurs supplémentaires sont utiles. Ce dispositif expérimental est, d'une part, incomplet car il ne permet pas de séparer les régénérateurs supplémentaires 20 et 60, d'autre part, coûteux car il faut fabriquer réchauffeur, régénérateur et refroidisseur en double 5 exemplaire. Suivant un deuxième mode de réalisation, un deuxième dispositif expérimental illustré par les figures 7 à 10 permet de comparer les structures des figures 1 à 4. Ce deuxième dispositif est tel que chaque circuit comporte un ou des éléments des système échangeurs / régénérateurs. Pour cela, quatre configurations sont possibles sur le même 10 dispositif expérimental. Quatre vannes multivoies100, 200, 300 et 400 orientent le fluide de travail vers l'un ou l'autre des conduits, soit côté cavité 12 ou côté premier régénérateur supplémentaire 20, soit côté cavité 16 ou côté deuxième régénérateur supplémentaire 60. Suivant la figure 7, le fluide traverse successivement l'espace de détente 2, la 15 vanne multivoies 100, la première cavité 12, la vanne multivoies 200, le réchauffeur 3, le régénérateur 4, le refroidisseur 5, la vanne multivoies 300, la deuxième cavité 16, la vanne multivoies 400 et l'espace de compression 6. C'est la configuration illustrée en figure 1. Suivant la figure 8, le fluide traverse successivement l'espace de détente 2, la 20 vanne multivoies 100, le premier régénérateur supplémentaire 20, la vanne multivoies 200, le réchauffeur 3, le régénérateur 4, le refroidisseur 5, la vanne multivoies 300, le deuxième régénérateur supplémentaire 60, la vanne multivoies 400 et l'espace de compression 6. C'est la configuration illustrée en figure 2. Suivant la figure 9, le fluide traverse successivement l'espace de détente 2, la 25 vanne multivoies 100, le premier régénérateur supplémentaire 20, la vanne multivoies 200, le réchauffeur 3, le régénérateur 4, le refroidisseur 5, la vanne multivoies 300, la deuxième cavité 16, la vanne multivoies 400 et l'espace de compression 6. C'est la configuration illustrée en figure 3 Suivant la figure 10, le fluide traverse successivement l'espace de détente 2, la 30 vanne multivoies 100, la première cavité 12, la vanne multivoies 200, le réchauffeur 3, le régénérateur 4, le refroidisseur 5, la vanne multivoies 300, le deuxième régénérateur supplémentaire 60, la vanne multivoies 400 et l'espace de compression 6. C'est la configuration illustrée en figure 4. Suivant un troisième mode de réalisation, un troisième dispositif expérimental illustré par la figure 11, permet de comparer les structures des figures 1 à 4 de manière plus fine. En effet, chaque circuit est doté de plus ou moins de matériau régénérateur, le fluide caloporteur occupant un volume identique dans tous les circuits. Ce troisième dispositif est tel que chaque circuit comporte un ou des éléments des systèmes échangeurs / régénérateurs. Pour cela, de multiples configurations sont possibles sur le même dispositif expérimental, vingt cinq sur la figure 11. En effet, entre l'espace de détente 2 et les systèmes échangeurs / régénérateurs 3, 4 et 5 situés sur la branche commune, on trouve plusieurs circuits, cinq dans la figure 11. De même, entre l'espace de compression 6 et les systèmes échangeurs / régénérateurs 3, 4 et 5 situés sur la branche commune, on trouve plusieurs circuits, cinq dans la figure 11. Donc, pour la figure 11, on a bien vingt cinq configurations possibles. Dans chaque groupe de circuits, un seul circuit laisse passer le fluide caloporteur, les autres étant fermés lors du test. Chaque circuit est ouvert ou fermé à l'aide de deux vannes commutables situées à ses extrémités. Pour l'exemple de la figure 11, le groupe de circuits situé entre l'espace de détente 2 et les systèmes échangeurs / régénérateurs 3, 4 et 5 situés sur la branche commune, se compose de cinq circuits dont un seulement parmi les cinq est ouvert. Par exemple, le circuit délimité par les vannes commutables 110 et 115 est ouvert alors que les autres sont fermés, à savoir ceux délimités par les vannes commutables 120 et 125, 130 et 135, 140 et 145, 150 et 155. De même, toujours pour l'exemple de la figure 11, le 20 groupe de circuits situé entre l'espace de compression 6 et les systèmes échangeurs / régénérateurs 3, 4 et 5 situés sur la branche commune, se compose de cinq circuits dont un seulement parmi les cinq est ouvert. Par exemple, le circuit délimité par les vannes commutables 210 et 215 est ouvert alors que les autres sont fermés, à savoir ceux délimités par les vannes commutables 220 et 225, 230 et 235, 240 et 245, 250 et 255. 25 Avec les dispositifs expérimentaux décrits ci-dessus, il y a plusieurs configurations possibles. Pour chacune des utilisations possibles des machines thermiques à cycle de Stirling, à savoir, comme moteur, comme pompe à chaleur ou comme machine cryogénique, on pourra tester les configurations et déterminer laquelle est la plus efficace. Plusieurs tests devront donc être mis en place. 30 Le dispositif expérimental selon l'invention est particulièrement destiné à détecter la meilleure configuration en terme de rendement pour les moteurs ou de coefficient de performance pour les pompes à chaleur ou les machines cryogéniques. REVENDICATIONS1. Dispositif expérimental destiné à tester des performances comparées de machines thermiques à cycle Stirling mettant en oeuvre des systèmes échangeurs/régénérateurs thermiques et dans lesquelles un fluide caloporteur d'une machine thermique circule alternativement entre une première chambre (2) dont un volume est fonction de la position d'un premier piston (1) et une seconde chambre (6) dont un volume est fonction de la position d'un second piston (7), caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins deux circuits agencés en parallèle de sorte que le fluide caloporteur peut circuler entre la première chambre et la seconde chambre par un seul desdits au moins deux circuits, chacun des dits au moins deux circuits pouvant être commutés entre une position ouverte dans laquelle le fluide caloporteur peut circuler entre la première et la seconde chambre par ledit circuit et une position fermée dans laquelle le fluide caloporteur contenu dans ledit circuit est isolé des volumes des première et seconde chambres, au moins un des au moins deux circuits comportant des systèmes échangeurs / régénérateurs ou des éléments des systèmes échangeurs / régénérateurs. 2. Dispositif suivant la revendication 1 dans lequel chacun des au moins deux circuits est commuté entre la position ouverte et la position fermée au moyen de vannes agencées dans les circuits. 3. Dispositif suivant la revendication 2 dans lequel les vannes sont des vannes multivoies dans lesquelles un seul des circuits peut être en position ouverte à la fois. 4. Dispositif suivant la revendication 3 dans lequel un volume occupé par le fluide caloporteur est identique dans chacun des circuits agencés en parallèle. 5. Dispositif suivant la revendication 4 dans lequel au moins un des circuits comporte une cavité d'ajustement du volume occupé par le fluide caloporteur dans ledit circuit. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque circuit comporte un système échangeurs / régénérateurs formé de l'ensemble des éléments constituant ledit système échangeurs / régénérateurs. 7. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, dans lequel des éléments de systèmes échangeurs/ régénérateurs communs aux systèmes échangeurs / régénérateurs des au moins deux circuits sont agencés dans une branche commune aux au moins deux circuits de sorte à se trouver en série avec le circuit en position ouverte. 8. Dispositif suivant la revendication 7 dans lequel au moins deux circuits agencés enparallèle et pouvant être commutés chacun entre une position ouverte et une position fermée sont agencés entre une première extrémité de la branche commune, comportant des éléments communs des systèmes échangeurs / régénérateur, et la première chambre (2) et dans lequel au moins deux circuits agencés en parallèle et pouvant être commutés chacun entre une position ouverte et une position fermée sont agencés entre une seconde extrémité de la branche commune et la seconde chambre (6). 9. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes dans lequel des moyens de mesure de puissances mécaniques délivrées ou reçues sont agencés sur le premier piston (1) et sur le second piston (7). 10. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes dans lequel des moyens de mesure de puissances thermiques délivrées ou reçues sont agencés entre le premier piston (1) et le second piston (7). 11. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes comportant des moyens de mesure de température sur un ou plusieurs emplacements des circuits.