Brevet FR3106859A1 — publié le 20210806

La présente invention concerne un moteur thermodynamique sans compression 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 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. Figure pour l'abrégé : 1 Moteur thermodynamique sans compression - L'objet de la présente invention est un moteur thermodynamique sans compression, 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 sans compression 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. - 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 CO2 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 soient de fortes différences de températures, soient 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 (US125166) 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 Notre moteur sans compression est caractérisé par l'utilisation d'un fluide en circuit fermé, trvaillant 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. [Fig 1] 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). [Fig 2] 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. [Fig 3] 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 pour une utilisation en tant que générateur électrique. [Fig 4] La figure (4) représente les différentes étapes de fonctionnement du moteur thermodynamique sans compression, 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 [Fig 5] La figure (5) représente les différentes possibilités d'association des vérins Figure (A) On peut faire travailler les chambres de manière indépendante uniquement dans un sens. Figure (B) On peut associer les chambres chaudes et froides (combinés) le travail récupéré s'effectue uniquement dans un sens. Figure (C) 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. Figure (D) On peut associer les vérins double effet en combinant les déplacements des chambres chaudes et des chambres froides. 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 sans compression 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 sans compression avec vérins dissociés, le remplissage est effectif quand le piston est arrivé au point mort haut. En cas de moteur sans compression 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. 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 étant la chaleur fournie pour la source chaude Wcomp étant le travail fourni pour réaliser la compression Qfr étant la chaleur libérée par la source froide (refroidissement) Wdet étant le travail produit par la détente Le rendement du moteur est donc de η = (Wdet – Wcomp)/Qch Sachant que le travail récupérable du système est égal à Wutil = Wdet –Wcomp Avec notre moteur sans compression on peut écrire Qch = Wcont +W det +Qfr avec Qch étant la chaleur fournie par la source chaude Wcont étant le travail produit dans la chambre froide par la contraction du fluide Wdet étant le travail produit dans la chambre chaude par la détente du fluide Qfr étant la chaleur libérée par la source froide Le rendement de notre moteur est donc de η = (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'1mm 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 l'échauffement 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. Moteur sans compression 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. Moteur sans compression 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 Moteur sans compression thermodynamique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 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. Procédé de génération de mouvement d’un moteur sans compression thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 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). Procédé de génération de mouvement d’un moteur sans compression thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou procédé de génération de mouvement selon la revendication 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).