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Objectif
(pompe à chaleur)
Développer une machine thermique inversible, qui fait circuler un gaz en circuit fermé entre deux cylindres isolants de volumes différents, à travers deux échangeurs thermiques, afin d’approcher le cycle de Carnot.
Cette machine peut servir dans la conception de pompes à chaleurs ou réfrigérateurs sans gaz à effet de serre comme le R93, car il n’y a pas de changement de phase. Elle devrait aussi pouvoir servir de moteur, produisant de l’énergie mécanique en transférant de la chaleur d’une source chaude vers une source froide.
Sur un principe proche existe depuis deux siècles le moteur Stirling, ce dernier réalise les transferts thermiques au niveau des cylindres, l’idée novatrice ici est de transférer la chaleur quand le gaz passe d’un cylindre à l’autre.
Dans la machine théorique que Sadi Carnot a utilisé pour décrire son cycle idéal, la source chaude et la source froide doivent agir alternativement au même endroit, ce qui parait techniquement irréalisable. L’usage de deux cylindres et deux échangeurs thermiques permet d’imiter cette machine, mais induit des frottements et un volume mort.
Cycle idéal
Cycle moteur
| 1 Compression adiabatique : Le gaz est compressé dans le petit cylindre, sa température augmente. | 
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| 2 Détente isotherme : Le gaz se détend du petit cylindre vers le grand cylindre en recevant de la chaleur dans le premier échangeur thermique. | 
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| 3 Détente adiabatique : Le gaz continue de se détendre dans le grand cylindre, sa température diminue. | 
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| 4 Compression isotherme : Le gaz est compressé du grand cylindre vers le petit, de la chaleur est extraite dans le deuxième échangeur thermique. | 
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Cycle récepteur
| 1 Détente adiabatique : Le gaz est détendu dans le petit cylindre, sa température diminue. | 
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| 2 Détente isotherme : Le gaz se détend du petit cylindre vers le grand cylindre en captant de la chaleur dans le premier échangeur thermique. | 
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| 3 Compression adiabatique : Le gaz est compressé dans le grand cylindre, sa température augmente. | 
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| 4 Compression isotherme : Le gaz est compressé du grand cylindre vers le petit, en relâchant de la chaleur dans le deuxième échangeur thermique. | 
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Thermodynamique
Températures de fonctionnement
Les températures extrêmes atteintes par le gaz dépendent de la nature du gaz, de sa pression initiale, et de la course des pistons lors des phases adiabatiques. Une machine permettant de modifier ce dernier paramètre permettrait de travailler avec des températures variables.
Transferts de chaleur
La réalisation de phases isothermes dans le cycle idéal nécessite l’adéquation entre :
- la nature du gaz, sa pression initiale,
- les caractéristiques des échangeurs thermiques, la différence entre les températures des sources chaude et froide et les températures extrêmes du gaz,
- le rapport des volumes des deux cylindres.
Mécanique
Les possibilités techniques pour animer les pistons sont nombreuses, en particulier pour le cycle récepteur, solénoïdes, arbre à cames, vérins … mais un simple mécanisme 4 barres semble prometteur pour la réalisation d’une pompe à chaleur low tech efficace :
C’est libre ?
Totalement ! La description de cette invention est publiée ici sous licence Creative Commons Zero, cependant je ne peux vous garantir que tout ou partie de cette machine ne soit pas actuellement protégé par un brevet.
J’espère profondément que cette idée participe à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, et je suis convaincu que la rendre libre est la meilleure chose à faire pour faciliter son développement et sa diffusion rapide.
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