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.