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MACHINES DE STIRLING A PISTONS ROTATIFS ANNULAIRES TRILOBIQUES

Présentation Cycle de Stirling Etat de l'art actuel Cahier des charges La réponse SPRATL Détails techniques Etude thermique du régénérateur



Principe et avantages du régénérateur


    Le régénérateur (RGN) est fondamental pour recycler au sein du dispositif(1) les échanges thermiques des phases isochores (2-3 et 4-1) et tendre ainsi vers la limite de Carnot. Les difficultés techniques qu’il engendre actuellement sont un frein majeur à l’amélioration des machines de Stirling. Les régénérateurs actuels sont souvent victimes du flux alterné du fluide, ne favorisant pas de bons échanges thermiques, à moins d’utiliser des grilles fines qui posent alors deux nouveaux problèmes : leur coût et surtout des pertes de charges par laminage du fluide. Par ailleurs, ils sont souvent encombrants et difficiles à isoler.


    Aussi, la présente invention fait le choix d’écoulements unidirectionnels de fluide entre chaque couple de machines PRATL, l’une chaude (2C) et l’autre froide (2F), ce qui permet de constituer un échangeur thermique avec 4 tuyaux, enroulés de préférence en hélicoïde. Ces tuyaux sont parcourus par du fluide : deux d’entre eux amènent constamment du fluide de (2F) vers (2C), et les deux autres dans le sens inverse : de (2C) vers (2F). De plus, ils  sont mutuellement en contact thermique et constituent un échangeur de températures optimal car :
-    la longueur des tuyaux enroulés en hélicoïde peut être augmentée fortement en gardant une bonne compacité,
-    la section des tuyaux peut être suffisamment grande pour rendre négligeables les pertes de charge par laminage de fluide, de préférence gazeux,
-    il est facile d’isoler le régénérateur ainsi constitué par un manchon cylindrique (ISO) à faces réfléchissantes (blocage des échanges radiatifs) et possédant au moins une cavité cylindrique vide (blocage de la conduction thermique du régénérateur vers l’extérieur).






Optimisation du cycle de Stirling avec les machines SPRATL

    Que le cycle soit moteur ou récepteur, on voit que le fonctionnement est optimisé avec un régénérateur performant, mais aussi quand son aire est maximisée . Pour que l’aire soit maximisée, les transformations doivent suivre parfaitement les trajectoires thermodynamiques précédemment décrites ; les figures 1A à 1F décrivent en effet des cycles normalisés, avec un régénérateur parfait et des évolutions thermodynamiques idéales du fluide. En réalité, le cycle suivi par le fluide s’éloigne significativement de celui de Stirling comme illustré aux figures 1G et 1H. Quatre défauts sont en général présents :
-    DTC : défaut d’homogénéisation du fluide à la température chaude,
-    DTF : défaut d’homogénéisation à la température froide
-    DVMAX : défaut de volumétrie au volume maximum,
-    DVMIN : défaut de volumétrie au volume minimum.

    Lorsque ces défauts se cumulent, le travail mécanique de chaque cycle diminue (aire plus petite) et le rendement thermodynamique du cycle s’éloigne fortement de l’optimum de Carnot (à cause d’échanges thermiques imparfaits). C’est pourquoi la présente invention lutte particulièrement contre ces difficultés :
-    défaut d’homogénéisation de température à cause de :
    o    la récupération imparfaite de calories ou frigories dans le régénérateur,
    o    la lenteur de la diffusion thermique dans le fluide lorsqu’il est mis au contact des sources chaudes ou froides,
-    défaut de volumétrie à cause :
    o    des cinématiques imparfaites des machines de Stirling,
    o    des éventuelles fuites.

    La présente invention règle totalement les problèmes de volumétrie grâce à une cinématique respectant parfaitement les isochores. Elle limite bien les fuites de fluide grâce à tous les contacts surfaciques et l’implantation possible de nombreux segments d’étanchéité. Elle permet aussi des transferts thermiques intenses :
-    par convection :
    o    dans les machines froides et chaudes où le fluide est injecté dans les chambres, puis transporté au sein des machines froides et   
          chaudes, en étant entièrement entouré par des parois lui transmettant leur température (froide ou chaude),
    o    dans le régénérateur permettant une mise en température isochore bien meilleure juste avant les phases isothermes.
-    et par diffusion aux contacts parois/fluide.

    L’approche par convection est essentielle car c’est un mode d’homogénéisation beaucoup plus rapide que la seule diffusion. Ainsi, comme illustré en traits forts aux figures 1I et 1J, grâce à la présente invention, les cycles sont beaucoup plus proches du cycle idéal de Stirling (en traits fins) et plus grands que les cycles actuels (hachurés). Les isothermes seront d’autant mieux respectées que :
-    la machine tournera à vitesse modérée : les fortes volumétries par tour de piston (PRA) des machines(2,2F,2C) sont en cela un atout, permettant de faire travailler beaucoup de fluide malgré une vitesse de rotation relativement faible,
-    le fluide aura une conductivité thermique élevée : on pourra utiliser des fluides sous pression plus élevée et/ou des gaz spécifiques déjà mis à profit dans l’industrie des moteurs Stirling (Hydrogène,Helium…).



Fonctionnement thermique du régénérateur SPRATL

    Le régénérateur (RGN) est fondamental pour recycler au sein du dispositif(1) les échanges thermiques des phases isochores et tendre ainsi vers la limite de Carnot. Dans le dispositif(1), les régénérateurs assurent des écoulements unidirectionnels de fluide (à l’intérieur d’un tuyau donné) entre les machines chaudes (2C,2C1,2C2…) et les machines froides (2F,2F1,2F2…), ce qui permet de constituer des échangeurs thermiques avec des tuyaux, enroulés de préférence en hélicoïde. La moitié de ces tuyaux conduisent constamment du fluide de (2F,2F1,2F2…) vers (2C,2C1,2C2…), et l’autre moitié dans le sens inverse : de (2C,2C1,2C2…) vers (2F,2F1,2F2…).
    De plus, ils  sont mutuellement en contact thermique et constituent un échangeur de températures quasi-parfait. Comme cela a déjà été évoqué, il est possible de jumeler certains couples de tuyaux en un seul : l’écoulement devient alors unidirectionnel et continu. En effet, les flux d’une catégorie de chambres (grandes : GC) (petites : PC) d’une machine (2, 2F,2F1,2F2, 2C,2C1,2C2…) sont intermittents, identiques et en opposition de phase ; si bien qu’en connectant un seul tuyau sur les 2 sorties de chambres identiques d’une même machine, le flux, en plus d’être unidirectionnel, devient continu.

   L’aspect thermique du régénérateur est entièrement développé dans le brevet SPRATL ou dans cet extrait du brevet en s’appuyant sur les figures 5A, 5B et 5C et les équations de la diffusion thermique. Des rendements de régénération de plus de 99% sont possibles avec des dimensions très acceptables et des matériaux usuels comme l'acier.



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