FR 3086694 A1 20200403 FR 1859135 A 20181002 MACHINE DE CONVERSION DE CHALEUR FATALE EN ÉNERGIE MÉCANIQUE Domaine L'invention est relative aux cycles de conversion de chaleur en énergie mécanique, 5 notamment à des machines utilisant le cycle organique de Rankine, ou ORC. Arrière-plan Un cycle ORC utilise généralement un fluide moteur ayant une température d'ébullition inférieure à celle de l'eau à pression ambiante. Le fluide est souvent un fluide frigorigène organique, comme les gaz hydrocarbures (éthane, propane, butane, 10 propylène...). Une machine utilisant un cycle ORC comprend généralement quatre composants : Un évaporateur ou générateur chauffé par une source chaude, qui vaporise à haute pression du fluide liquide. Un détendeur, souvent une turbine, alimenté par la vapeur haute pression 15 produite par l'évaporateur. Ce détendeur produit de l'énergie mécanique convertible en électricité. Un condenseur refroidi par une source froide, qui recueille la vapeur refoulée à basse pression par la turbine et la liquéfie. Une pompe pour alimenter l'évaporateur à haute pression à partir du fluide 20 liquide à basse pression du condenseur. Quel que soit le fluide frigorigène utilisé, la température de la source chaude au niveau de l'évaporateur est en pratique rarement inférieure à 100°C, car la machine ne serait alors pas économiquement. viable. Cela exclut de nombreuses applications de valorisation de chaleur fatale, ayant généralement des températures bien inférieures à 25 100°C. Le brevet US5685152 décrit une machine basée sur un cycle ORC qui n'utilise pas de pompe, et qui permettrait ainsi de mieux exploiter les sources de chaleur fatale. La pompe est remplacée par une enceinte de transfert reliée entre le condenseur et l'évaporateur par des vannes respectives. L'enceinte fonctionne en quatre temps. Dans 30 un premier temps, l'enceinte est ouverte vers le condenseur pour recevoir du fluide liquide à basse pression par gravité. Dans un deuxième temps, l'enceinte est fermée et 2 chauffée par la source chaude. Le fluide dans l'enceinte se vaporise, au moins en partie, et sa pression augmente. Dans un troisième temps, lorsque la pression dans l'enceinte est proche de celle de l'évaporateur, l'enceinte est ouverte vers l'évaporateur. Les pressions s'égalisent dans l'enceinte et l'évaporateur, tandis que le liquide restant dans l'enceinte est transféré vers l'évaporateur par gravité. Dans un quatrième temps, l'enceinte est fermée et refroidie par la source froide. La vapeur contenue dans l'enceinte se liquéfie et la pression baisse. Une telle machine permet en principe d'alimenter une turbine en vapeur de manière relativement continue, mais il est difficile d'alternativement chauffer et refroidir 10 l'enceinte de transfert de manière suffisamment rapide pour obtenir un débit exploitable. Résumé On prévoit de façon générale une machine de conversion de chaleur en énergie mécanique comprenant un détendeur produisant de l'énergie mécanique à partir d'un 15 flux de vapeur d'un fluide ; un évaporateur chauffé par une source chaude à une température haute et configuré pour alimenter le détendeur en vapeur ; un condenseur refroidi par une source froide à une température basse et configuré pour condenser la vapeur refoulée par le détendeur ; un circuit liquide configuré pour transférer le fluide en phase liquide du condenseur vers l'évaporateur ; un circuit vapeur configuré pour 20 transférer du fluide en phase vapeur de l'évaporateur vers le condenseur ; et des vannes configurécs pour, dans un premier temps dit actif, obturer les circuits liquide et vapeur, et dans un deuxième temps dit inactif, ouvrir les circuits liquide et vapeur. La machine peut comprendre en outre un réservoir de vapeur tampon refroidi par la source froide à la température basse et à la pression de vapeur saturante 25 correspondante ; et une vanne configurée pour connecter le réservoir tampon au condenseur pendant le temps actif et obturer le réservoir tampon pendant le temps inactif. Les circuits liquide et. vapeur peuvent être configurés pour effectuer des transferts de façon passive, respectivement par équilibrage de pression dans le circuit vapeur et par 30 gravité dans le circuit liquide. Lc circuit liquide peut être configuré pour effectuer des transferts par équilibrage de niveaux 3 La machine peut comprendre en outre un premier étage de transfert inséré dans les circuits liquide et vapeur, et chauffé à partir de la source chaude à une première température intermédiaire comprise entre les températures haute et basse ; des vannes côté basse pression sur les circuits liquide et vapeur entre le premier étage de transfert et 5 le condenseur, configurées pour être fermées pendant le temps actif et ouvertes pendant le temps inactif ; et des vannes côté haute pression sur les circuits liquide et vapeur entre le premier étage de transfert et l'évaporateur, configurées pour être ouvertes pendant le temps actif et fermées pendant le temps inactif. La machine peut comprendre en outre un deuxième étage de transfert inséré dans les circuits liquide et vapeur entre l'évaporateur et les vannes côté haute pression du premier étage de transfert, et chauffé à partir de la source chaude à une deuxième température intermédiaire comprise entre la température haute et la première température intermédiaire ; et des vannes côté haute pression sur les circuits liquide et vapeur entre le deuxième étage de transfert et l'évaporateur, configurées pour être fermées pendant le temps actif et ouvertes pendant le temps inactif. Le détendeur peut être volumétrique et comprendre un cylindre ; un piston coulissant dans le cylindre et définissant deux volumes variables dans le cylindre, un premier volume variable étant relié à l'évaporateur ; une vanne de refoulement configurée pour relier le deuxième volume variable au condenseur pendant le temps actif ; et une vanne de repos configurée pour relier le deuxième volume variable à l'évaporateur pendant le temps inactif. La machine peut comprendre une vanne entre le détendeur et le condenseur, configurée pour être ouverte pendant le temps actif et fermée pendant le temps inactif. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non-limitatif en relation avec les ligures jointes, parmi lesquelles : - les figures 1A, 1B, 2A et 2B représentent schématiquement un premier mode de réalisation de machine de conversion de chaleur en énergie mécanique sans pompe, à différentes étapes de fonctionnement ; - les figures 3A et 3B illustrent un exemple d'utilisation d'un détendeur à piston dans la machine des figures précédentes, à deux étapes de fonctionnement ; 4 - les figures 4A, 4B, SA et 5B représentent schématiquement un deuxième mode de réalisation de machine de conversion de chaleur en énergie mécanique sans pompe, à différentes étapes de fonctionnement ; - la figure 6 représente schématiquement un troisième mode de réalisation de 5 machine de conversion de chaleur en énergie mécanique sans pompe ; - les figures 7A et 7B représentent schématiquement un quatrième mode de réalisation de machine de conversion de chaleur en énergie mécanique sans pompe, à différentes étapes de fonctionnement ; et - la figure 8 représente schématiquement un cinquième mode de réalisation de 10 machine de conversion de chaleur en énergie mécanique sans pompe. Description détaillée On prévoit ci-après une machine de conversion de chaleur fatale en énergie mécanique inspirée d'un cycle ORC, mais fonctionnant sans pompe et. de manière alternative. Plus spécifiquement, la machine fonctionne selon un cycle à deux temps déterminés par des 15 vannes : Un premier temps, dit actif ou moteur, où la communication fluide entre le condenseur et l'évaporateur est coupée tandis que le détendeur est mobilisé par 1' évaporateur ; et Un deuxième temps, dit inactif ou de régénération, où une égalisation de 20 pression et de niveaux de liquide a lieu entre le condenseur et l'évaporateur de manière passive grâce à des circuits liquide et vapeur séparés. Il résulte de la mise en oeuvre du deuxième temps que l'évaporateur et le condenseur fonctionnent tous deux en permanence avec un fluide diphasique, à la pression de vapeur saturante. 25 Les figures lA et 1B représentent schématiquement un premier mode de réalisation de machine fonctionnant selon cc principe, au début et au cours du premier temps, temps moteur. La machine comprend un évaporateur EVAP sous la forme d'un réservoir contenant du fluide moteur présent en phase vapeur et en phase liquide. La phase liquide est chauffée 30 à une température haute Th par une source chaude Sh à l'aide d'un échangeur, illustré 5 sous la forme d'un serpentin 10 plongé dans la phase liquide. Une conduite relie la partie haute de l'évaporateur (la phase vapeur) à l'entrée d'un détendeur EXP. A la température haute Th correspond une pression de saturation haute Ph, fonction du fluide utilisé. Ainsi, les phases liquide et vapeur dans l'évaporateur sont toutes deux, en 5 régime établi, aux conditions de saturation (Ph, Th). Un condenseur COND est également prévu sous la forme d'un réservoir contenant du fluide présent en phase vapeur et en phase liquide. La phase liquide du condenseur est refroidie à une température basse Tb par une source froide Sb à l'aide d'un échangeur, illustré sous la forme d'un serpentin 12 plongé dans la phase liquide. 10 A la température basse Tb correspond une pression de saturation basse Pb, fonction du fluide utilisé. Ainsi, les phases liquide et vapeur dans le condenseur sont toutes deux, en régime établi, aux conditions saturantes (Pb, Tb). Un circuit liquide, incluant une conduite munie d'une vanne VL, relie les phases liquides de l'évaporateur et du condenseur. En outre, un circuit vapeur, incluant une 15 conduite munie d'une vanne VV, relie les phases vapeur de l'évaporateur et du condenseur. Le détendeur EXP refoule vers la partie basse du condenseur par une conduite 13. La vapeur détendue et partiellement refroidie provenant du détendeur pénètre ainsi dans la phase liquide, froide, du condenseur, où sa liquéfaction se poursuit et peut être favorisée 20 par des bulleurs 14. Pour améliorer l'efficacité du système, comme on le comprendra ci-après, un réservoir tampon de vapeur froide 16 est relié à la partie haute du condenseur par une conduite munie d'une vanne VB. Le réservoir tampon 16 est refroidi par la source froide Sb à l'aide d'un échangeur, illustré sous la forme d'un serpentin 18 en série avec le serpentin 25 12. La vapeur du réservoir tampon 16 est maintenue de façon sensiblement constante aux conditions de saturation du condenseur (Pb, Tb). A la figure 1 A, au début du temps moteur, toutes les vannes viennent d'être commutées, à savoir la vanne VB vient d'être ouverte, et les vannes VV et VL viennent d'être fermées. La phase liquide du condenseur est à la température basse Th, tandis que la 30 phase vapeur du condenseur est transitoirement à la température haute Th et à la pression haute Ph, conditions atteintes à la fin du cycle précédent. La phase liquide du condenseur est ainsi aussi transitoirement à la pression Ph. 6 Les phases liquide et vapeur dans l'évaporateur sont aux conditions saturantes (Ph, Th), conditions qui restent sensiblement constantes tout au long du cycle. Les niveaux de liquide dans le condenseur et l'évaporateur ont été égalisés au temps précédent. 5 Dès l'ouverture de la vanne VB, le réservoir tampon 16, conçu pour avoir un volume important, impose rapidement ses conditions (Pb, Tb) à la phase vapeur du condenseur. En pratique, le rapport du volume du réservoir tampon et du volume de vapeur produit par l'évaporateur sur un temps moteur peut être compris entre 1 et 100, de préférence entre 50 et 70. Le condenseur peut en outre être conçu pour que son volume de vapeur 10 tende vers zéro à ce stade. On peut même accepter que le niveau de liquide remonte dans le réservoir tampon 16 à la fin du temps moteur. La figure 1B représente la machine à l'équilibre au cours du temps moteur. Grâce au réservoir tampon 16, la pression dans le condenseur tend rapidement vers la pression basse Pb et crée une dépression dans la conduite de refoulement du détendeur EXP. La 15 dépression dans la conduite de refoulement est alimentée par une production de vapeur dans l'évaporateur aux conditions quasi constantes (Ph, Th), qui mobilise le détendeur en produisant de l'énergie mécanique Pm. Dans la zone de refoulement du détendeur la pression tend vers celle, Pb, du condenseur, tandis que la température tend vers une valeur Tx comprise entre Th et Tb, 20 dépendant du débit et du fluide, et pouvant provoquer de façon souhaitable un début de condensation de la vapeur dans la conduite de refoulement 13. La production de vapeur abaisse le niveau de liquide dans l'évaporateur, et la condensation de cette vapeur hausse le niveau de liquide dans le condenseur, comme cela est illustré. 25 Par ailleurs, la production de vapeur dans l'évaporateur absorbe de la chaleur +Q à la source chaude Sh par l'échangeur 10, tandis que la condensation de la vapeur dans le condenseur restitue de la chaleur -Q à la source froide Sb par l'échangeur 12. Les figures 2A et 2B représentent schématiquement la machine des figures lA et 1B au début et au cours du deuxième temps, temps de régénération. 30 A la figure 2A, au début du temps de régénération, toutes les vannes viennent d'être commutées par rapport à l'état de la figure 1B, à savoir la vanne VB vient d'être fermé, 7 et les vannes VV et VL viennent d'être ouvertes. Les fluides dans le condenseur et l'évaporateur sont respectivement aux conditions saturantes (Pb, Tb) et (Ph, Th). Les vannes VV et VL ouvrent les circuits vapeur et liquide entre l'évaporateur et le condenseur, ce qui tend à provoquer une égalisation des pressions et des niveaux de 5 liquide. Ainsi, le surplus de liquide dans le condenseur s'écoule vers l'évaporateur par le circuit liquide. Ce liquide étant froid (Tb), il est chauffé par le liquide dans l'évaporateur et par l'échangeur 10, en prélevant de la chaleur +Q à la source chaude Sh. Pour favoriser les échanges, la conduite de liquide est reliée au condenseur le plus près possible du niveau de liquide et à la base de l'évaporateur, comme cela est 10 représenté. Le circuit vapeur met en communication deux phases vapeur à des conditions saturantes différentes. La partie vapeur de l'évaporateur (à pression Ph,) se détendrait vers la partie vapeur à plus basse pression (Pb) du condenseur. Selon le diagramme de Mollier du fluide dans les conditions saturantes, ce n'est pas une détente à proprement parler qui a 15 lieu (un abaissement de pression) mais une augmentation de la proportion de vapeur à pression constante Ph, ce qui se produit. en augmentant l'enthalpie du fluide, à savoir en apportant de la chaleur +Q de la source chaude Sh. Quant à la partie vapeur du condenseur, qui est en proportion faible du fait que la communication avec le réservoir tampon 16 est coupée par la vanne VB, elle se trouve 20 comprimée par la pression plus importante de l'évaporateur, ce qui provoque sa condensation, au moins partielle. Cette condensation et le contact avec la vapeur chaude provenant de l'évaporateur réchauffent le liquide en surface. Le liquide plus chaud en surface n'entre pas en contact avec l'échangeur 12 et est transféré dans l'évaporateur par le circuit liquide. 25 (On notera que les lettres Q utilisées pour désigner une chaleur sont purement indicatives et ne représentent pas des valeurs. Les valeurs théoriques effectives peuvent être trouvées à partir du diagramme de Mol lier du fluide.) La figure 2B représente l'état du système au cours du temps de régénération. Les niveaux de liquide et les pressions (Ph) dans l'évaporateur et le condenseur se sont 30 équilibrés. La température de la phase vapeur dans le condenseur est Th, tandis que celle de la phase liquide est maintenue à Tb par la source froide Sb. Les parties vapeur et liquide dans le condenseur ne sont. plus, transitoirement, dans les conditions saturantes. En fait., les parties vapeur en communication du condenseur et. de 8 l'évaporateur sont aux conditions saturantes de l'évaporateur, qui impose ces conditions grâce à l'apport de chaleur par la source chaude Sh. Le détendeur EXP n'est plus soumis à une différence de pression et continue son mouvement par inertie. 5 Un nouveau temps moteur commence alors selon les figures lA et 1B. On notera que la vanne VL du circuit liquide peut être un simple clapet anti-retour, permettant le passage de liquide dans le sens du condenseur vers l'évaporateur. Dans ce cas, le clapet ne s'ouvre que lorsque les pressions sont équilibrées entre le condenseur et l'évaporateur, évitant un refoulement transitoire du liquide de l'évaporateur vers le 10 condenseur au début du temps de régénération, lorsque les pressions ne sont pas encore équilibrées. Cet avantage peut être contrebalancé par le fait qu'un clapet anti-retour introduit des pertes de charge plus importantes qu'une vanne commandée. Pour cumuler les avantages de ces deux alternatives, la vanne VL peut être une vanne commandée associée à des capteurs de pression, qui est ouverte seulement lorsque les pressions dans 15 le condenseur et l'évaporateur sont détectées égales. Si le détendeur EXP est conçu pour accepter un débit continu de vapeur, comme dans le cas d'une turbine ou d'un moteur volumétrique rotatif, les deux temps du cycle peuvent avoir des durées différentes. En particulier, le temps moteur peut être plus long que le temps de régénération, ce dernier étant réduit à la durée requise pour compléter 20 l'équilibrage des pressions et niveaux par les circuits liquide et vapeur. Un rôle du réservoir tampon de vapeur froide 16 est de permettre au condenseur de rapidement retrouver, au temps moteur, ses conditions saturantes nominales (Pb, Tb), de sorte à établir le plus rapidement possible une différence de pression motrice entre l'entrée et la sortie du détendeur EXP. L'efficacité de la machine diminue avec cette 25 latence. La machine peut cependant aussi fonctionner sans le réservoir tampon 16, mais le détendeur est alors mobilisé avec un certain retard dû au temps d'établissement d'une pression suffisamment basse dans le condenseur. L'échangeur 12 pourrait alors être conçu pour refroidir aussi la partie vapeur du condenseur, mais l'efficacité de la 30 machine resterait néanmoins réduite. Du fait que la machine présente un fonctionnement « pulsé », c'est-à-dire que le détendeur est alimenté par alternances, il peut être inadapté à l'utilisation de turbines 9 classiques comme détendeur. En effet, les turbines sont généralement conçues pour fonctionner avec un flux de vapeur constant. Ainsi, il peut être préférable d'utiliser un moteur volumétrique en tant que détendeur, comme un moteur à piston. Les figures 3A et 3B illustrent un exemple d'utilisation d'un moteur à piston 30 comme 5 détendeur, respectivement pendant le temps moteur et pendant le temps de régénération. Le moteur 30 comprend un piston 32 coulissant selon un mouvement alternatif dans un cylindre 34. Le cylindre 34 est muni, à l'avant du piston, de deux vannes, à savoir une vanne VE placée sur la conduite reliée au condenseur COND, et une vanne VEb placée sur une conduite revenant vers la sortie de l'évaporateur. La sortie de l'évaporateur est 10 reliée à une chambre fermée à l'arrière du piston. Le mouvement de translation alternatif du piston peut être transformé en rotation par un système à bielle et vilebrequin 36 placé à l'arrière du piston. A la figure 3A, pendant le temps moteur, la vanne VE est ouverte et la vanne VEb est fermée. L'arrière du piston 32 est poussé par la vapeur générée par l'évaporateur tandis 15 que la vapeur présente dans le cylindre 34 est évacuée par la vanne VE vers le condenseur. A la figure 3B, pendant le temps de régénération, la vanne VE est fermée et la vanne VEb ouverte. La conduite vers le condenseur est ainsi fermée, mais l'ouverture de la vanne VEb relie les volumes des deux côtés du piston, de sorte que le piston revient 20 librement, par inertie, à son point de départ pour le cycle suivant. En principe, au début du temps moteur (à la fin du temps de régénération), le piston se trouve à son point-mort bas, c'est-à-dire à la position où le volume dans le cylindre 34 est maximal. A la fin du temps moteur (au début du temps de régénération), le piston atteint son point-mort haut, où le volume dans le cylindre 34 est minimal. Les vannes 25 sont ainsi de préférence synchronisées sur le mouvement du piston pour commuter à chaque point-mort du piston. Par ailleurs, le piston revenant par inertie au point-mort bas pendant le temps de régénération, les deux temps du cycle sont contraints d'avoir la même durée. Dans les machines décrites jusqu'à maintenant, lors du passage du temps moteur au 30 temps de régénération, on met en communication brutalement une enceinte à haute pression (l'évaporateur) et une enceinte à basse pression (le condenseur), par les vannes VV et VL. Si la différence de pression Ph - Pb est importante, cela peut engendrer des chocs nuisibles. A titre d'exemple, en utilisant le propylène (R1270) comme fluide 10 moteur, et des températures Tb = 30°C et Th = 80°C, on a des pressions saturantes Pb = 13 bars et Ph = 37 bars, soit un différentiel de pression de 24 bars. Les figures 4A et 4B représentent schématiquement un deuxième mode de réalisation de machine de conversion de chaleur, conçue pour limiter les chocs de pression, 5 respectivement au début et au cours du temps moteur. Par rapport à la machine des figures précédentes, un étage de transfert TRF est inséré dans les circuits liquide et vapeur entre l'évaporateur EVAP et le condenseur COND. L'étage de transfert est sous la forme d'un réservoir contenant du fluide moteur présent en phase vapeur et en phase liquide. La phase liquide est chauffée par une dérivation de la source chaude Sh à l'aide 10 d'un échangeur, illustré sous la forme d'un serpentin 40 plongé dans la phase liquide. La dérivation, illustrée par une vanne trois-voies, est conçue pour porter le fluide à une température Tl comprise entre les températures Tb et Th. La pression de saturation correspondante est Pl . La phase vapeur de l'étage de transfert est reliée aux phases vapeur du condenseur et de 15 l'évaporateur par des conduites respectives munies de vannes VV et VV2. La phase liquide de l'étage de transfert est reliée aux phases liquides du condenseur et de l'évaporateur par des conduites respectives munies de vannes VL et VL2. Les vannes VV2 et VL2 sont commandées en opposition de phase par rapport aux vannes VV et VL. 20 Dans la figure 4A, les vannes VV et VL viennent d'être fermées, et la vanne VB ouverte, comme pour la machine de la figures 1A. En outre, les vannes VV2 et VL2 viennent d'être ouvertes. Les niveaux de liquide dans le condenseur et l'étage de transfert ont été équilibrés. La phase vapeur du condenseur est transitoirement aux conditions (PI, Tl) au lieu 25 d'être aux conditions (Ph, Th) dans la figure 1A. Ces conditions sont rapidement ramenées à (Pb, Th) par le réservoir tampon 16, plus rapidement que dans la figure 1A, puisque les valeurs Pl, Tl sont plus proches de Pb, Th. La pression transitoire Pl étant déjà plus basse que Ph, le détendeur EXP est immédiatement mobilisé. La phase vapeur de l'étage de transfert TRF est initialement aux conditions (Pl, Tl). 30 Les vannes VV2 et VL2 entre l'étage de transfert et l'évaporateur étant ouvertes, les pressions et les niveaux de liquide vont s'équilibrer dans ces éléments. L'équilibrage a lieu similairement qu'entre l'évaporateur et le condenseur des figures 2A et 2B, à savoir 11 que l'évaporateur impose ses conditions (Ph, Th) à la partie vapeur de l'étage de transfert. La figure 4B représente la machine au cours du temps moteur. Les phases liquide et vapeur du condenseur sont à leurs conditions saturantes (Pb, Tb), optimales pour 5 mobiliser le détendeur. Les niveaux de liquide et les pressions (Ph) dans l'étage de transfert et l'évaporateur se sont équilibrés. La température de la phase vapeur dans l'étage de transfert est Th, tandis que celle de la phase liquide est maintenue à T1 par l'échangeur 40. Les parties vapeur et liquide dans l'étage de transfert ne sont plus, transitoirement, dans les conditions saturantes, jusqu'au cycle suivant. 10 La vapeur refoulée par le détendeur se liquéfie dans le condenseur et augmente le niveau de liquide dans le condenseur. Cette liquéfaction restitue de la chaleur -Q à la source froide Sb. L'évaporateur produit de la vapeur pour à la fois alimenter le détendeur et comprimer la phase vapeur de l'étage de transfert. Cette production de vapeur abaisse le niveau de 15 liquide dans l'évaporateur et l'étage de transfert et prélève de la chaleur +Q à la source chaude Sh. Une partie de cette chaleur +Q sert également à réchauffer le liquide à température Ti u-rivant depuis l'étage de transfert. La vapeur qui était aux conditions (Pl, T1) dans l'étage de transfert se condense au moins partiellement. Les figures SA et 5B représentent schématiquement la machine des figures 4A et 4B au 20 début et au cours du temps de régénération. A la figure SA, au début du temps de régénération, toutes les vannes viennent d'être commutées par rapport à l'état de la figure 4B, à savoir les vannes VB, VV2 et VL2 viennent d'être fermées, et les vannes VV et VL viennent d'être ouvertes. Les vannes VV et VL ouvrent les circuits vapeur et liquide entre l'étage de transfert et 25 le condenseur, ce qui tend à provoquer une égalisation des pressions et des niveaux de liquide, comme entre le condenseur et l'évaporateur à la figure 2A. La partie vapeur de l'étage de transfert TRF est transitoirement aux conditions (Ph, Th) qui ne sont plus entretenues par l'évaporateur à la fermeture des vannes VV2 et VL2. La vapeur, qui est à une pression supérieure à la pression saturante (P1) du liquide, tend 30 vers un équilibre par une détente et un abaissement de la température vers les conditions saturantes (P 1 , T 1 ). 12 L'étage de transfert TRF impose ses conditions (Pl, Ti) à la partie vapeur du condenseur en produisant de la vapeur. La production de vapeur absorbe de la chaleur +Q par l'échangeur 40. La vapeur qui était aux conditions (Pb, Tb) dans le condenseur se condense au moins partiellement. 5 Même si la pression dans l'étage de transfert est transitoirement à la pression haute Ph, cette pression n'est pas entretenue et baisse quasi instantanément vers la pression nominale Pl de l'étage de transfert, de sorte que le système subit en pratique un différentiel de pression Pl - Pb au lieu de Ph - Pb à l'ouverture des vannes VV et VL. Les conditions (Pl, Tl) peuvent être choisies de sorte que Pl = (Pb + Ph)/2, ce qui 10 équilibre les différences de de pression, d'une part entre l'évaporateur et l'étage de transfert au temps moteur, et d'autre part entre l'étage de transfert et le condenseur au temps de régénération, et limite les à-coups dus à ces différences de pression. Dans l'exemple du propylène où (Pb, Tb) = (13 bars, 30°C) et (Ph, Th) = (37 bars, 80°C), on pourrait choisir (Pl, Tl) = (25 bars, 60°C). 15 La figure 5B représente l'état du système au cours du temps de régénération. Les niveaux de liquide et les pressions (P1) dans l'étage de transfert et le condenseur se sont équilibrés. La température de la phase vapeur dans le condenseur est Ti, tandis que celle de la phase liquide est maintenue à Tb par la source froide Sb. Les parties vapeur et liquide dans le condenseur ne sont plus, transitoirement, dans les conditions 20 saturantes, jusqu'au cycle suivant. Dans le mode de réalisation des figures 4A à 5B, le détendeur est de type à alimentation continue (turbine ou moteur volumétrique rotatif). Pendant le temps moteur, le détendeur est toujours soumis, comme décrit précédemment, à la différence de pression Ph - Pb. Par contre, pendant le temps de régénération, le détendeur est soumis à la 25 différence de pression Ph - Pl plus faible, niais permettant un certain transfert d'énergie au détendeur. La phase liquide dans le condenseur étant maintenue à la température basse Tb, la condensation de la vapeur provenant du détendeur est toujours effectuée dans de bonnes conditions. Lorsqu'on utilise un détendeur à piston, comme dans les figures 3A et 3B, ou si on 30 souhaite ajuster les conditions de fonctionnement de la machine, la conduite de refoulement peut être munie d'une vanne VE, qui est fermée pendant le temps de régénération. Dans ce cas, l'évaporateur reste inactif pendant le temps de régénération. 13 Pour homogénéiser le débit reçu par le détendeur, on peut utiliser deux machines du type précédent, fonctionnant en opposition de phase. A la figure 6, plutôt que d'utiliser deux machines complètes, on utilise deux machines partielles qui partagent le même évaporateur, ce qui permet à l'évaporateur de 5 fonctionner de manière plus continue et dans de meilleures conditions. La machine comprend ainsi un seul évaporateur EVAP alimentant le détendeur EXP. Le détendeur refoule dans deux voies fonctionnant en opposition de phase, associées respectivement à deux condenseurs CONDa et CONDb et deux étages de transfert correspondants TRFa et TREF). Les deux étages de transfert TRFa, TRFb sont reliés à l'évaporateur commun 10 EVAP. Les vannes associées aux deux voies sont commandées en opposition de phase. Ainsi, l'évaporateur unique alimente alternativement l'étage de transfert de l'une des voies (par exemple TRFa, comme illustré), puis l'étage de transfert de l'autre voie, tandis qu'il alimente relativement continument le détendeur. 15 Les deux temps de chaque cycle peuvent être distincts, par exemple un temps moteur plus long que le temps de régénération, comme mentionné précédemment. Dans ce cas, les vannes ne sont pas commandées en opposition de phase au sens strict, mais de manière que le temps de régénération de chaque voie ait lieu pendant le temps moteur de l'autre voie. Le temps de régénération d'une voie peut, par exemple, être centré sur 20 le temps moteur de l'autre voie. Les figures 7A et 7B illustrent schématiquement, respectivement dans le temps moteur et le temps de régénération du cycle, un autre mode de réalisation de machine de conversion de chaleur à étage de transfert permettant une utilisation plus continue de l'évaporateur avec un détcndcur à piston. Ce mode de réalisation vise à alimenter en 25 vapeur le détcndcur pendant le temps moteur et alimenter l'étage de transfert pendant le temps de régénération. Par rapport aux figures 4A et SA, la machine comprend un deuxième étage de transfert TRF2, associé à des vannes correspondantes VV3, VL3, inséré dans les circuits liquide et vapeur entre les vannes côté haute pression VV2, VL2 du premier étage de transfert 30 TRFI et l'évaporateur EVAP. Le détendeur EXP est illustré sous la forme du moteur à piston des figures 3A et 3B. Les fonctionnements individuels de ces éléments ayant été décrits en détail, ils ne seront pas décrits de nouveau. 14 Les conditions saturantes des différents éléments sont indiquées sur la figure 7A. La température T2 de l'étage de transfert TRF2 est comprise entre Tl et Th, et maintenue par un échangeur 70 alimenté par une dérivation de la source chaude Sh. Les vannes VV3 et VL3 sont commandées en opposition de phase par rapport aux vannes VV2 et 5 VL2. A la figure 7A, illustrant le temps moteur, les vannes VB, VV2, VL2, et VE sont ouvertes, tandis que les vannes VV, VL, VV3, VL3 et VE2 sont fermées. L'évaporateur EVAP n'alimente que le détendeur EXP, tandis que l'étage TRF2 alimente l'étage TRFI. Les parties vapeurs des étages TRFI et TRF2 s'établissent aux conditions (P2, 10 T2), et les niveaux de liquide s'équilibrent. A la figure 7B, illustrant le temps de régénération, les vannes sont inversées, à savoir les vannes VB, VV2, VL2, et VE sont fermées, tandis que les vannes VV, VL, VV3, VL3 et VE2 sont ouvertes. L'évaporateur EVAP n'alimente que l'étage TRF2, tandis que l'étage TRFI alimente le condenseur. Les parties vapeur de l'étage TRF2 et de 15 l'évaporateur s'établissent aux conditions (Ph, Th), et les niveaux de liquide s'équilibrent. De même, les parties vapeur de l'étage TRF1 et du condenseur s'établissent aux conditions (Pl, Tl), et les niveaux de liquide s'équilibrent. Avec cette structure, pendant un cycle, l'évaporateur alimente alternativement le détendeur et l'étage de transfert TRF2, assurant une certaine continuité de son 20 fonctionnement. En outre, cette structure réduit davantage les risques de chocs de pression, étant donné que la pression P1 peut être choisie encore plus basse que dans la machine avec un seul étage de transfert. Les pressions des étages de transfert peuvent être choisies, par exemple, telles que P1 = Pb + (Ph - Pb)/3 et P2 = Pb + 2(Ph - Pb)/3. De façon générale, on peut multiplier les étages de transfert ainsi reliés en série dans les 25 circuits vapeur et liquide, en les chauffant à des températures étagées entre Th et Th, chaque étage étant associé à deux vannes côté haute pression opérant en opposition de phase par rapport aux vannes de l'étage adjacent. Les différents modes de réalisation décrits de la machine de conversion de chaleur impliquant des transferts de liquide par gravité, les hauteurs relatives des éléments sont 30 des paramètres à considérer. Pour des raisons de clarté d'exposé, les éléments ont été représentés à la même hauteur, en supposant que les liquides s'équilibraient au même niveau. 15 En réalité, dans les conditions de saturation, les liquides ont des masses volumiques différentes en fonction de la température. Ainsi, du propylène liquide saturé à 30°C a une masse volumique de l'ordre de 490 kg/m3, alors qu'à 80°C il a une masse volumique de l'ordre de 375 kg/m3. Cela signifie que les niveaux de liquide 5 s'équilibrent à des hauteurs différentes, le liquide de plus faible masse volumique s'équilibrant plus haut. Ainsi, les éléments ne sont en pratique pas agencés à la même hauteur, mais de manière étagée, de sorte que l'élément le plus chaud soit plus bas. Les niveaux s'établissent approximativement selon la relation hiri = h2r2, où h1 et hl sont les hauteurs des liquides par rapport à leur point de communication, et r1 et r2 sont les 10 masses volumiques des liquides. Ainsi, le niveau du liquide plus chaud dépend aussi de la hauteur d'entrée de la conduite de liquide plus froid. La figure 8 illustre un mode de réalisation de machine opérant par simple gravité au lieu d'un équilibrage de niveaux de liquide. La machine illustrée à titre d'exemple est basée sur la machine des figures 1 et 2, sans étage de transfert. Le condenseur COND, au lieu 15 d'être agencé à côté de l'évaporateur EVAP, est agencé au-dessus de l'évaporateur. Les autres éléments structurels sont conservés - la conduite de liquide est notamment raccordée à la partie supérieure du condenseur et à la partie inférieure de l'évaporateur. La vanne du circuit liquide a été illustrée comme un clapet anti-retour. Pendant la phase de régénération illustrée, la vanne VV du circuit vapeur est ouverte, 20 provoquant un équilibrage des pressions dans le condenseur et l'évaporateur. Le niveau de liquide dans le condenseur a atteint son niveau maximal à la suite de la condensation de la vapeur produite pendant le temps moteur. A l'équilibre des pressions, le clapet VL s'ouvre et laisse couler par gravité le liquide du condenseur vers l'évaporateur. Le transfert de liquide se termine lorsque le niveau dans le condenseur atteint la hauteur du 25 raccordement de la conduite de liquide. La quantité maximale de liquide transféré pendant le temps de régénération peut ainsi être réglée par le choix de la hauteur du raccordement de la conduite de liquide. Pour des machines à étages de transfert, la structure de la figure 8 peut être reproduite entre le condenseur et un étage de transfert, entre un étage de transfert et l'évaporateur, 30 et, le cas échéant, entre deux étages de transfert. On peut même ici combiner la structure « verticale » de la figure 8 avec la structure « horizontale » des autres modes de réalisation, par exemple en agençant le condenseur au-dessus de l'étage de transfert, et l'évaporateur à côté de l'étage de transfert. 16 Dans la description des divers modes de réalisation, on n'a pas considéré les dimensions des composants. En pratique chaque composant est conçu pour qu'il contienne toujours les deux phases du fluide dans les conditions de saturation en tout point du cycle. Ainsi, en particulier, l'évaporateur est conçu pour que le liquide ne soit jamais entièrement 5 vaporisé à la fin du temps moteur, et le condenseur est conçu pour que la vapeur ne soit jamais entièrement condensée à la fin du temps moteur. Ces facteurs dépendent aussi des températures des composants et des débits souhaités. Pour un débit important, l'évaporateur devra produire plus de vapeur, de sorte qu'il faudra prévoir plus de liquide à vaporiser, et ainsi prévoir des dimensions plus grandes. Les étages de transfert ont 10 pour rôle principal d'acheminer le liquide du condenseur vers l'évaporateur et produisent moins de vapeur que l'évaporateur, de sorte qu'ils utilisent moins de fluide et peuvent être plus petits que l'évaporateur. En absence de source de chaleur, la machine se refroidit jusqu'à la température ambiante, et le fluide contenu dans les différents composants reste aux conditions de 15 saturation, en supposant que la machine est étanche. Ainsi, avec le propylène et une température ambiante de 20°C, les conditions générales dans la machine s'établissent à (10 bars, 20°C). Pour mettre en route la machine, il suffit de commuter les vannes dans la configuration du temps inactif et de chauffer l'évaporateur. Lorsque l'évaporateur atteint une pression 20 suffisante pour démarrer, on commute les vannes dans la configuration du temps actif. Lorsque le détendeur est à piston, REVENDICATIONS1. Machine de conversion de chaleur en énergie mécanique comprenant : - un détendeur (EXP) produisant de l'énergie mécanique à partir d'un flux de vapeur d'un fluide ; - un évaporateur (EVAP) chauffé par une source chaude (Sh) à une température haute (Th) et configuré pour alimenter le détendeur en vapeur ; - un condenseur (COND) refroidi par une source froide (Sh) à une température basse (Th) et configuré pour condenser la vapeur refoulée par le détendeur ; et - un circuit liquide (VL) configuré pour transférer le fluide en phase liquide du condenseur vers l'évaporateur ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre : - un circuit vapeur (VV) configuré pour transférer du fluide en phase vapeur de l'évaporateur vers le condenseur ; et - des vannes configurées pour, - dans un premier temps dit actif, obturer les circuits liquide et vapeur (VV, VL), et - dans un deuxième temps dit inactif, ouvrir les circuits liquide et vapeur. 2. Machine selon la revendication 1, comprenant en outre : - un réservoir de vapeur tampon (16) refroidi par la source froide (Sb) à la température basse et à la pression de vapeur saturante correspondante ; et - une vanne (VB) configurée pour connecter le réservoir tampon au condenseur pendant le temps actif et obturer le réservoir tampon pendant le temps inactif. 3. Machine selon la revendication 1, dans lequel les circuits liquide et vapeur sont configurés pour effectuer des transferts de façon passive, respectivement par équilibrage de pression dans le circuit vapeur et par gravité dans le circuit liquide. 4. Machine selon la revendication 3, dans lequel le circuit liquide est configuré pour effectuer des transferts par équilibrage de niveaux. 18 5. Machine selon la revendication 1, comprenant en outre : - un premier étage de transfert (TRF) inséré dans les circuits liquide et vapeur, et chauffé à partir de la source chaude à une première température intermédiaire (T1) comprise entre les températures haute (Th) et basse (Tb) ; 5 - des vannes côté basse prerssion (VV, VL) sur les circuits liquide et vapeur entre le premier étage de transfert et le condenseur, configurées pour être fermées pendant le temps actif et ouvertes pendant le temps inactif ; et - des vannes côté haute pression (VV2, VL2) sur les circuits liquide et vapeur entre le premier étage de transfert et l'évaporateur, configurées pour être 10 ouvertes pendant le temps actif et fermées pendant le temps inactif. 6. Machine selon la revendication 5, comprenant en outre : - un deuxième étage de transfert (TRF2) inséré dans les circuits liquide et vapeur entre l'évaporateur (EVAP) et les vannes côté haute pression du premier étage de transfert (TRF1), et chauffé à partir de la source chaude à une 15 deuxième température intermédiaire (T2) comprise entre la température haute (Th) et la première température intermédiaire (T1) ; et - des vannes côté haute pression (VV3, VL3) sur les circuits liquide et vapeur entre le deuxième étage de transfert et l'évaporateur, configurées pour être fermées pendant le temps actif et ouvertes pendant le temps inactif. 20 7. Machine selon la revendication I. dans lequel le détendeur est volumétrique et comprend : - un cylindre (34) ; - un piston (32) coulissant dans le cylindre et définissant deux volumes variables dans le cylindre, un premier volume variable étant relié à 25 l' évaporateur ; - une vanne de refoulement (VE) configurée pour relier le deuxième volume variable au condenseur pendant le temps actif ; et - une vanne de repos (VEb) configurée pour relier le deuxième volume variable à l'évaporateur pendant le temps inactif 19 8. Machine selon la revendication 1, comprenant une vanne (VE) entre le détendeur et le condenseur, configurée pour être ouverte pendant le temps actif et fermée pendant le temps inactif.