Thermodynamic and Mechanical Study/fr: Difference between revisions

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* <math display="inline">H_o</math> : échangeur thermique "Heat-out", situé sur le chemin hydraulique <math display="inline">L \to S</math> et qui enlève de la chaleur au gaz.
* <math display="inline">H_o</math> : échangeur thermique "Heat-out", situé sur le chemin hydraulique <math display="inline">L \to S</math> et qui enlève de la chaleur au gaz.


La topologie hydraulique est fixe :
Les deux branches hydrauliques ont des sens de circulation fixes :


<math>S\to H_i\to L,</math>
<math>S\to H_i\to L,</math>
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<math>L\to H_o\to S.</math>
<math>L\to H_o\to S.</math>


Les clapets passifs permettent donc toujours :


<math>H_i\to L,\qquad H_o\to S.</math>
Chaque branche comporte un clapet passif, qui peut être installé d’un côté ou de l'autre de son échangeur de chaleur. Les deux configurations possibles pour la branche d'arrivée de chaleur sont :


La fonction physique de chaque échangeur thermique est indépendante du mode de fonctionnement. Ce qui change entre les cycles récepteur et moteur est le réservoir thermique externe connecté à chaque échangeur.
<math>S\to \mathrm{CV}_i\to H_i\to L,</math>
Le cycle comprend quatre phases hydrauliques/thermodynamiques :


* '''Phase I''' — clapets fermés, nominalement adiabatique : compression du côté <math display="inline">L+H_o</math> ;
ou :
* '''Phase II''' — échange thermique, nominalement isotherme : transfert <math display="inline">L \to H_o \to S</math>, avec extraction de chaleur du gaz ;
* '''Phase III''' — clapets fermés, nominalement adiabatique : expansion du côté <math display="inline">S+H_i</math> ;
* '''Phase IV''' — échange thermique, nominalement isotherme : transfert <math display="inline">S \to H_i \to L</math>, avec de la chaleur ajoutée au gaz.


Ces définitions de phases décrivent la topologie physique permanente de la machine. Le réservoir externe associé à chaque échangeur de chaleur dépend du mode de fonctionnement. Les limites de phase et leurs positions angulaires sont déterminées indépendamment dans chaque mode de fonctionnement par les événements réels liés aux clapets anti-retour.
<math>S\to H_i\to \mathrm{CV}_i\to L.</math>
 
 
De même, la branche heat-out peut être agencée ainsi :
 
<math>L\to \mathrm{CV}_o\to H_o\to S,</math>
 
ou :
 
<math>L\to H_o\to \mathrm{CV}_o\to S.</math>
 
 
Dans tous les cas, le clapet impose le même sens de circulation général dans sa branche. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un paramètre de conception car, lorsque le clapet est fermé, il détermine quel cylindre reste hydrauliquement relié au volume de l'échangeur.
 
 
La fonction physique de chaque échangeur de chaleur est indépendante du mode de fonctionnement. Ce qui change entre le fonctionnement en mode frigorifique et le fonctionnement en mode moteur, c'est le réservoir thermique externe auquel chaque échangeur est relié.
 
 
Le cycle est décrit par quatre phases hydrauliques/thermodynamiques : compression, transfert à travers <math display="inline">H_o</math> depuis <math display="inline">L</math> à <math display="inline">S</math> , expansion et transfert à travers <math display="inline">H_i</math> depuis <math display="inline">S</math> à <math display="inline">L</math> En mode réfrigération, à partir de l'origine de référence utilisée dans cette étude, ces phases se succèdent dans cet ordre. Le fonctionnement du moteur inverse le sens de rotation de la manivelle. La chronologie thermodynamique résultante doit être recalculée en conservant l'orientation des clapets et en inversant l'affectation des réservoirs ; il est détaillé au paragraphe 6.6.
 
 
Les limites des phases décrivent la cinématique et le régime thermodynamique dominant. Elles ne correspondent pas aux événements de clapets. L'ouverture et la fermeture des clapets sont déterminées indépendamment par la différence de pression locale à travers chaque clapet ; les transferts de masse et de chaleur peuvent donc se poursuivre pendant la compression ou la détente, et un événement de clapet peut se produire au sein d'une phase cinématique.
 
 
Les deux phases de transfert sont prévues quasi-isobares : un cylindre se vide tandis que l’autre se remplit, et la variation de pression doit rester faible comparé à celle observée lors de la compression et de la détente. La compression et la détente peuvent impliquer le mouvement simultané des deux pistons dans le même sens volumétrique, de sorte que les deux cylindres peuvent contribuer simultanément à la phase de variation de pression.
 
 
Pour comparer avec un cycle thermodynamique idéal, la compression et la détente peuvent être idéalisées comme transformations adiabatiques ; si elles sont en plus réversibles, elles sont isentropiques. Il ne s’agit que d’une référence, la machine réelle n’impose ni transfert de chaleur nul, ni transfert de masse nul, ni clapets fermés pendant la compression et la détente, et aucune construction permettant d’assurer des phases parfaitement adiabatiques n’est supposée ici.


Les qualificatifs ''nominalement adiabatique'' et ''nominalement isotherme'' décrivent l'objectif du cycle. Ils ne constituent pas des contraintes thermodynamiques exactes : les températures sont calculées par les bilans, les échangeurs restent couplés à leurs réservoirs, et les zones de faible déplacement des pistons ne sont pas supposées parfaitement immobiles.


<span id="1.1_First-level_assumptions"></span>
<span id="1.1_First-level_assumptions"></span>
Line 95: Line 116:


<math>\nu_{V,k}=|\dot V_k|.</math>
<math>\nu_{V,k}=|\dot V_k|.</math>
Une '''zone quasi immobile''' désigne un intervalle où le déplacement ou <math display="inline">|\dot V|</math> reste faible par rapport aux phases de transfert. Cette zone correspond au « plateau » de l'optimisation cinématique, sans supposer <math display="inline">\dot V=0</math> exactement.


<span id="2.2_Kinematic_closure_fraction"></span>
<span id="2.2_Kinematic_closure_fraction"></span>
Line 109: Line 128:
<math>\Lambda_{\mathrm{real}}=\Lambda(t_{\mathrm{event}}).</math>
<math>\Lambda_{\mathrm{real}}=\Lambda(t_{\mathrm{event}}).</math>


Les transitions physiques restent déterminées par les pressions ; <math display="inline">\Lambda^*</math> n'est donc pas une condition d'ouverture imposée.
Les évènements de clapets sont déterminés par les pressions locales à travers les clapets et sont indépendants des transitions de phases cinématiques ; <math display="inline">\Lambda^*</math> n'est donc pas une condition d'ouverture imposée.


<span id="2.3_Thermodynamic_variables"></span>
<span id="2.3_Thermodynamic_variables"></span>
Line 194: Line 213:
Ainsi les équations de transfert thermique sont identiques dans les deux modes.
Ainsi les équations de transfert thermique sont identiques dans les deux modes.


Une phase nominalement isotherme ne signifie donc pas <math display="inline">T_{HX}=T_{HX,\mathrm{res}}</math> : un écart de température fini est nécessaire pour transférer une puissance thermique finie lorsque <math display="inline">UA</math> est fini.
Un indicateur de qualité d'isothermie peut être défini sur une phase donnée par :
<math>\varepsilon_T=\frac{T_{\max}-T_{\min}}{T_{\mathrm{ref}}}.</math>


<span id="3.2_Thermophysical_validity_domain"></span>
<span id="3.2_Thermophysical_validity_domain"></span>
Line 222: Line 235:
Si ces critères deviennent insuffisants, une extension pourra employer <math display="inline">Z(P,T)</math>, <math display="inline">C_p(T)</math>, <math display="inline">C_v(T)</math> ou une équation d'état réelle sans modifier l'architecture générale des bilans de masse et d'énergie.
Si ces critères deviennent insuffisants, une extension pourra employer <math display="inline">Z(P,T)</math>, <math display="inline">C_p(T)</math>, <math display="inline">C_v(T)</math> ou une équation d'état réelle sans modifier l'architecture générale des bilans de masse et d'énergie.


<span id="4._Reduced_formulation_of_a_quasi-pressure-equalized_pair"></span>
<span id="4._Reduced_formulations_for_quasi-pressure-equalized_connected_volumes"></span>
== 4. Formulation réduite d'une paire quasi égalisée en pression ==
4. Formulations réduites pour les volumes connectés quasi-égalisés en pression.
 


Lorsqu'un cylindre et son échangeur sont reliés par une liaison interne très peu résistive, on peut utiliser l'approximation :
Le modèle complet traite les quatre volumes de gaz indépendamment. Cependant, dans certaines conditions de fonctionnement, un ensemble de volumes reliés par une résistance hydraulique suffisamment faible peut rester proche d'une pression commune. Un tel ensemble peut alors être traité par une formulation analytique simplifiée.


<math>P_{\mathrm{cyl}}\approx P_{HX}=P_{\mathrm{pair}}.</math>


Elle est acceptable si :
Notons <math display="inline">\mathcal C</math> tout ensemble connecté de volumes de gaz tel que :
 
<math>
P_j\approx P_{\mathcal C},
\qquad j\in\mathcal C.
</math>
 
 
La composition de <math display="inline">\mathcal C</math> est déterminéé par la connectivité hydraulique réelle et par la position et l'état des clapets.
 
 
Un critère utile d'égalisation de la pression est :
 
<math>
\varepsilon_{P,\mathcal C}
=
\max_{(a,b)\in\mathcal C}
\frac{|P_a-P_b|}{P_{\mathcal C}}
\ll1.
</math>


<math>\varepsilon_P=\frac{|\Delta P_{\mathrm{int}}|}{P_{\mathrm{pair}}}\ll1,\qquad \Delta P_{\mathrm{int}}=P_{\mathrm{cyl}}-P_{HX}.</math>


Un faible nombre de Mach interne constitue un contrôle complémentaire :
Un faible nombre de Mach interne constitue un contrôle complémentaire :


<math>Ma_{\mathrm{int}}=\frac{|u_{\mathrm{int}}|}{a}\ll1,</math>
<math>
Ma_{\mathrm{int}}=\frac{|u_{\mathrm{int}}|}{a}\ll1,
</math>


mais il ne suffit pas, à lui seul, à garantir l'égalisation des pressions.
mais il ne suffit pas, à lui seul, à garantir l'égalisation des pressions.


<span id="4.1_Closed-pair_case"></span>
=== 4.1 Cas fermé de la paire ===


Pour une paire fermée, avec <math display="inline">V_{HX}</math> fixe et <math display="inline">V=V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}</math> :
<span id="4.1_Pressure_equation_for_a_connected_set"></span>
=== 4.1 Équation de pression pour un ensemble connecté ===
 
 
Définissons le volume total :
 
<math>
V_{\mathcal C}=\sum_{j\in\mathcal C}V_j.
</math>
 
 
Seuls les volumes des cylindres varient :
 
<math>
\dot V_{\mathcal C}
=
\sum_{k\in\mathcal C\cap\{S,L\}}\dot V_k.
</math>
 
 
Pour un gaz parfait calorifiquement parfait à la pression commune :
 
<math>
U_{\mathcal C}
=
\sum_{j\in\mathcal C}m_jC_vT_j
=
\frac{P_{\mathcal C}V_{\mathcal C}}{\gamma-1}.
</math>
 
 
Chaleur totale reçue par le gaz dans l'ensemble :
 
<math>
\dot Q_{\mathcal C}
=
\sum_{j\in\mathcal C}\dot Q_j.
</math>
 
 
La masse traversant la frontière de l'ensemble transporte l'enthalpie depuis son état initial. On définit ainsi le flux net d'enthalpie externe entrant dans l'ensemble :
 
<math>
\dot H_{\mathcal C}^{\mathrm{ext}}
=
\sum_{\mathrm{in}}\dot m\,C_pT_u
-
\sum_{\mathrm{out}}\dot m\,C_pT_u.
</math>
 
 
La première loi pour l'ensemble connecté complet s’écrit alors :
 
<math>
\frac{dU_{\mathcal C}}{dt}
=
\dot Q_{\mathcal C}
+
\dot H_{\mathcal C}^{\mathrm{ext}}
-
P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}.
</math>
 
 
Et donc :
 
<math>
\dot P_{\mathcal C}
=
\frac{
(\gamma-1)
\left(
\dot Q_{\mathcal C}
+
\dot H_{\mathcal C}^{\mathrm{ext}}
\right)
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}}
.
</math>
 
 
La masse totale de l'ensemble satisfait la condition suivante :
 
<math>
\dot M_{\mathcal C}
=
\sum_{\mathrm{in}}\dot m
-
\sum_{\mathrm{out}}\dot m.
</math>
 
 
Les transferts internes de masse et d'enthalpie entre les membres de <math display="inline">\mathcal C</math> s’annulent sur ces bilans globaux.
 
 
<span id="4.2_Closed_connected_set"></span>
=== 4.2 Ensemble fermé et connecté ===
 
 
Si aucune masse ne franchit la limite de <math display="inline">\mathcal C</math> :
 
<math>
\dot H_{\mathcal C}^{\mathrm{ext}}=0,
\qquad
\dot M_{\mathcal C}=0.
</math>
 
 
L'équation de pression devient :
 
<math>
\dot P_{\mathcal C}
=
\frac{
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}}.
</math>
 
 
Si l'ensemble est également adiabatique :


<math>
<math>
\frac{dP}{dt}=
\dot Q_{\mathcal C}=0,
\frac{(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX})-\gamma P\dot V_{\mathrm{cyl}}}
</math>
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
 
.</math>
Alors :
 
<math>
P_{\mathcal C}V_{\mathcal C}^{\gamma}
=
\mathrm{const}.
</math>
 
 
C’est un cas limite analytique. Une phase de compression ou de détente de la machine complète n'exige pas que l'ensemble connecté correspondant soit fermé ou adiabatique.
 
 
<span id="4.3_Fixed-volume_heat_exchanger_within_a_pressure-equalized_set"></span>
=== 4.3 Échangeur thermique à volume fixe dans un ensemble à pression équilibrée ===
 
 
Pour un échangeur thermique <math display="inline">H_j</math> de volume fixe <math display="inline">V_j</math> appartenant à <math display="inline">\mathcal C</math> :
 
<math>
m_j=\frac{P_{\mathcal C}V_j}{RT_j}.
</math>
 
 
La dérivation donne :
 
<math>
\frac{\dot m_j}{m_j}
=
\frac{\dot P_{\mathcal C}}{P_{\mathcal C}}
-
\frac{\dot T_j}{T_j},
</math>
 
D'où :
 
<math>
\dot T_j
=
\frac{T_j}{P_{\mathcal C}}\dot P_{\mathcal C}
-
\frac{RT_j^2}{P_{\mathcal C}V_j}\dot m_j
.
</math>
 
 
Le débit massique de l'échangeur <math display="inline">\dot m_j</math> est la somme algébrique des débits réels à travers toutes les liaisons qui y sont connectées. Cette relation est indépendante de la position du clapet, en amont ou en aval de l'échangeur.
 
 
Son bilan énergétique peut s'écrire de manière équivalente :
 
<math>
\frac{V_j}{\gamma-1}\dot P_{\mathcal C}
=
\dot Q_j
+
\sum_{\mathrm{in}}\dot m C_pT_u
-
\sum_{\mathrm{out}}\dot m C_pT_j.
</math>
 
 
Ces équations déterminent la distribution locale de la masse et l'évolution de la température une fois les débits hydrauliques connus.
 
 
<span id="4.4_Two-volume_cylinder–exchanger_special_case"></span>
=== 4.4 Cas particulier à deux volumes cylindre-échangeur ===
 


Lorsque <math display="inline">(UA)_{HX}=0</math> :
Dans le cas particulier d'un cylindre et d'un échangeur thermique connectés à pression quasi uniforme, sans flux entrant ou sortant directement de l'échangeur, définissons le débit massique interne du cylindre vers l'échangeur comme positif.


<math>P(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})^\gamma=\mathrm{const}.</math>


<span id="4.2_Internal_redistribution_flow_rate"></span>
Soit :
=== 4.2 Débit interne de redistribution ===


On définit positif le débit interne cylindre → échangeur. Posons :
<math>
N=
V_{HX}\dot P
+
(\gamma-1)(UA)_{HX}
(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}}).
</math>


<math>N=V_{HX}\dot P+(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}}).</math>


Le débit transporte l'enthalpie de l'état amont :
Le débit interne est :


<math>
<math>
\dot m_{\mathrm{int}}=
\dot m_{\mathrm{int}}
=
\begin{cases}
\begin{cases}
\dfrac{N}{\gamma R T_{\mathrm{cyl}}}, & N\ge0 \quad (\mathrm{cyl}\to HX),\\[6pt]
\dfrac{N}{\gamma RT_{\mathrm{cyl}}},
\dfrac{N}{\gamma R T_{HX}}, & N<0 \quad (HX\to\mathrm{cyl}).
& N\ge0
\quad(\mathrm{cyl}\to HX),\\[6pt]
\dfrac{N}{\gamma RT_{HX}},
& N<0
\quad(HX\to\mathrm{cyl}).
\end{cases}
\end{cases}
</math>
</math>


La température de l'échangeur évolue selon :
 
La température de l'échangeur thermique répond alors à :


<math>
<math>
\dot T_{HX}=\frac{T_{HX}}{P}\dot P-
\dot T_{HX}
\frac{RT_{HX}^2}{PV_{HX}}\dot m_{\mathrm{int}}
=
.</math>
\frac{T_{HX}}P\dot P
-
\frac{RT_{HX}^2}{PV_{HX}}
\dot m_{\mathrm{int}}.
</math>
 
 
Cette simplification ne doit pas être utilisée lorsqu'un flux externe entre ou sort directement de l'échangeur ; dans ce cas, les bilans généraux des §4.1 et §4.3 s'appliquent.
 
 
<span id="4.5_Single_external-flow_special_cases"></span>
=== 4.5 Cas particuliers de flux externe unique ===
 
 
Si un ensemble connecté à pression quasi-égale reçoit un seul flux externe <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}>0</math> à température amont <math display="inline">T_{\mathrm{ext}}</math> :
 
<math>
\dot P_{\mathcal C}
=
\frac{
\gamma RT_{\mathrm{ext}}\dot m_{\mathrm{ext}}
+
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}},
</math>
 
Avec :
 
<math>
\dot M_{\mathcal C}
=
\dot m_{\mathrm{ext}}.
</math>


<span id="4.3_Open_receiving_pair"></span>
=== 4.3 Paire réceptrice ouverte ===


Lors d'une phase active, le débit externe entre physiquement dans le '''cylindre récepteur''', et non directement dans son échangeur associé. Si <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}>0</math> entre dans le cylindre à la température <math display="inline">T_{\mathrm{ext}}</math> :
Si à l’inverse l'ensemble fournit un seul flux de sortie externe <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}>0</math> à partir d'un volume limite à la température <math display="inline">T_{\mathrm{out}}</math> :


<math>
<math>
\dot P=
\dot P_{\mathcal C}
\frac{\gamma RT_{\mathrm{ext}}\dot m_{\mathrm{ext}}
=
+(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX})
\frac{
-\gamma P\dot V_{\mathrm{cyl}}}
-\gamma RT_{\mathrm{out}}\dot m_{\mathrm{ext}}
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
+
.</math>
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}},
</math>


Les masses vérifient :
Avec :


<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=\dot m_{\mathrm{ext}}-\dot m_{\mathrm{int}},\qquad
<math>
\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}},</math>
\dot M_{\mathcal C}
=
-\dot m_{\mathrm{ext}}.
</math>


et donc :


<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
Le lieu où le flux externe traverse la frontière de l'ensemble connecté modifie les masses et températures locales, mais pas l'équation de pressions cumulées une fois que l'ensemble <math display="inline">\mathcal C</math>, le flux d'enthalpie aux limites, chaleur totale et débits volumiques sont spécifiés.


Le cas fermé est obtenu immédiatement avec <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}=0</math>.


<span id="5._Hydraulic_closure"></span>
<span id="5._Hydraulic_closure"></span>
Line 316: Line 586:
<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>
<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>


Pour une liaison bidirectionnelle, l'état amont est déterminé par le sens réel du gradient de pression. Pour un clapet, le débit inverse est interdit.
Pour une liaison bidirectionnelle, l'état amont est déterminé par le sens réel du gradient de pression. Pour un clapet, le débit inverse est interdit. Sur chacune des deux branches hydrauliques, le clapet peut être placé de part et d'autre de l'échangeur de chaleur ; la loi hydraulique doit donc prendre en compte les pressions immédiatement adjacentes à la position du clapet.


<span id="5.2_First-level_closure_using_a_compressible_orifice"></span>
<span id="5.2_First-level_closure_using_a_compressible_orifice"></span>
Line 353: Line 623:
== 6. Cycle thermodynamique complet ==
== 6. Cycle thermodynamique complet ==


<span id="6.1_Phase_I_—_check_valves_closed,_nominally_adiabatic:_compression_on_the_L_side"></span>
=== 6.1 Phase I — clapets fermés, nominalement adiabatique : compression côté L ===


Le cycle est décrit par quatre régimes cinématiques et thermodynamiques successifs : compression, transfert à travers <math display="inline">H_o</math> , expansion et transfert à travers <math display="inline">H_i</math>. Ces phases décrivent l'évolution dominante de la machine ; elles ne sont pas définies par l'état des clapets. L'ouverture et la fermeture des clapets restent déterminées indépendamment par les différences de pression instantanées et peuvent se produire au sein d'une même phase plutôt qu'exactement à ses limites.
La numérotation ci-dessous suit le sens de réfrigération <math display="inline">\omega>0</math>. Le fonctionnement moteur utilise la même machine physique avec un sens de rotation inversé et est décrit au §6.6.
<span id="6.1_Thermodynamic_rationale_of_the_four_phases"></span>
=== 6.1 Justification thermodynamique des quatre phases ===
<span id="6.1.1_Compression_and_expansion"></span>
==== 6.1.1 Compression et détente ====
Compression et la détente sont principalement des phases de variation de pression. Dans la cinématique voulue, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément lors de la compression et augmenter simultanément lors de la détente.
Le travail instantané fourni par le gaz est :
<math>
\dot W=P_S\dot V_S+P_L\dot V_L.
</math>
Lorsque les pressions dans les deux cylindres sont du même ordre de grandeur, les contributions des deux pistons s’additionnent lors d’une détente simultanée et participent toutes deux au travail nécessaire lors d’une compression simultanée. Cela permet aux volumes balayés des deux cylindres de contribuer aux phases du cycle au cours desquelles la pression varie.


Les deux clapets sont fermés. Les paires <math display="inline">L+H_o</math> et <math display="inline">S+H_i</math> sont fermées. Le côté <math display="inline">L+H_o</math> est nominalement comprimé ; le mouvement du petit piston reste celui fourni par la cinématique réelle.


Pour <math display="inline">L+H_o</math> :
Dans un cycle de référence réversible idéal, la compression et la détente peuvent être considérées comme adiabatiques et réversibles. Cette condition n'est pas imposée à la machine réelle. Les échangeurs  restent thermiquement couplés au gaz, la redistribution de masse peut se poursuivre et les clapets ne sont pas nécessairement fermés pendant toute la phase de compression ou de détente.


<math>\dot P_{Lo}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)-\gamma P_{Lo}\dot V_L}
{V_L+V_o}.</math>


Pour <math display="inline">S+H_i</math> :
<span id="6.1.2_Exchange_phases"></span>
==== 6.1.2 Phases d'échange ====


<math>\dot P_{Si}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)-\gamma P_{Si}\dot V_S}
{V_S+V_i}.</math>


Les équations de redistribution interne et de température du §4 s'appliquent aux deux paires.
Lors d'une phase d'échange, le gaz est transféré d'un cylindre à l'autre à travers un échangeur thermique. La résistance hydraulique exige une différence de pression finie pour produire un débit massique fini. Cette différence de pression est intrinsèquement irréversible.


La transition vers la Phase II survient lorsque le clapet <math display="inline">H_o \to S</math> satisfait sa condition d'ouverture.


<span id="6.2_Phase_II_—_heat_exchange,_nominally_isothermal:_L_→_Ho_→_S"></span>
Pour la contribution des pertes hydrauliques idéalisée localement comme un processus d'étranglement adiabatique et isenthalpique d'un gaz parfait calorifiquement parfait :
=== 6.2 Phase II — échange thermique, nominalement isotherme : L → Ho → S ===


Le gaz quitte <math display="inline">L</math>, traverse l'échangeur chaud <math display="inline">H_o</math>, y rejette de la chaleur, franchit le clapet <math display="inline">H_o \to S</math>, puis entre dans le cylindre récepteur <math display="inline">S</math>. La paire <math display="inline">S+H_i</math> reste quasi égalisée si le critère <math display="inline">\varepsilon_P\ll1</math> est satisfait.
<math>
h_u=h_d
\quad\Rightarrow\quad
T_u=T_d,
</math>


<span id="6.2.1_Donor_cylinder_L"></span>
et donc :
==== 6.2.1 Cylindre donneur L ====


Le bilan fondamental est :
<math>
\Delta s_{\mathrm{hyd}}
=
R\ln\left(\frac{P_u}{P_d}\right)>0
\qquad\text{for}\qquad P_u>P_d.
</math>
 
 
La limite réversible est donc :


<math>
<math>
\frac{d(m_LC_vT_L)}{dt}
P_u-P_d\to0.
=-P_L\dot V_L-\dot m_{L,\mathrm{out}}C_pT_L
</math>
.</math>
 
 
Les phases d'échange tendent donc idéalement vers un fonctionnement quasi-isobare. Une machine réelle de dimensions finies conserve une différence de pression finie car un débit fini doit traverser les résistances hydrauliques.
 
 
L'égalisation de pression entre des volumes communicants à un instant donné n'implique pas, en soi, que leur pression commune reste constante tout au long de l'échange. Soit <math display="inline">\mathcal C</math> un ensemble fermé de volumes de gaz communicants qui sont approximativement à la même pression <math display="inline">P</math>. Pour un gaz parfait :
 
<math>
M_{\mathcal C}
=
\frac{P}{R}
\sum_{j\in\mathcal C}\frac{V_j}{T_j},
</math>
 
et donc :
 
<math>
P=
\frac{M_{\mathcal C}R}
{\displaystyle\sum_{j\in\mathcal C}V_j/T_j}.
</math>
 
 
À masse constante, une transformation parfaitement isobare nécessite :
 
<math>
\frac{d}{dt}
\left(
\sum_{j\in\mathcal C}\frac{V_j}{T_j}
\right)=0.
</math>
 
 
Les mouvements des pistons et l'évolution de la température doivent donc se compenser. Des variations de volume égales dans les cylindres ne sont ni requises ni généralement attendues.
 
 
La même condition peut être exprimée par le biais du bilan énergétique. Pour un ensemble quasi-égalisé en pression :
 
<math>
U_{\mathcal C}
=
\frac{P V_{\mathcal C}}{\gamma-1},
\qquad
V_{\mathcal C}=\sum_{j\in\mathcal C}V_j.
</math>
 
 
Son équilibre selon la première loi donne :
 
<math>
V_{\mathcal C}\dot P
=
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}
-\gamma P\dot V_{\mathcal C}.
</math>
 
 
Un échange approximativement isobare satisfait donc :
 
<math>
\gamma P\dot V_{\mathcal C}
\approx
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}.
</math>
 
 
L'évolution du volume imposée par les pistons peut ainsi compenser la dilatation ou la contraction thermique produite par le transfert de chaleur, permettant un transfert de masse substantiel tandis que la pression commune reste quasiment constante.
 
 
Une relation de premier ordre utile au dimensionnement des cylindres découle de la même condition. Sur une portion suffisamment petite d'un échange isobare, si les températures du donneur et du récepteur peuvent être considérées comme localement constantes, et si les termes de stockage de température des volumes fixes de l'échangeur sont secondaires, alors :
 
<math>
\frac{dV_r}{T_r}
\approx
-\frac{dV_d}{T_d},
</math>


La cinématique est conçue pour maintenir un débit sortant du cylindre donneur. Dans ce cas, la solution analytique est :
D'où :


<math>
<math>
\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{ref}}}=
\frac{dV_r}{-dV_d}
\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{ref}}}\frac{V_{L,\mathrm{ref}}}{V_L}\right]^{\gamma-1}
\approx
\frac{T_r}{T_d}
.
</math>
</math>


et :
 
Le côté le plus chaud nécessite donc un changement de volume plus important pour une même masse de gaz transférée à pression égale. Lorsque l'échange utilise des fractions comparables des courses des cylindre et que les températures des gaz restent proches des températures de fonctionnement caractéristiques <math display="inline">T_h</math> et <math display="inline">T_c</math>, on obtient un premier ordre de dimensionnement géométrique :


<math>
<math>
P_L=P_{L,\mathrm{ref}}
\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{ref}}}\frac{V_{L,\mathrm{ref}}}{V_L}\right]^\gamma
.</math>


On obtient également :
\frac{V_{\mathrm{swept},h}}
{V_{\mathrm{swept},c}}
\sim
\frac{T_h}{T_c}
.
</math>
 
 
Les températures sont exprimées en Kelvins. Cette relation est un guide de dimensionnement, et non une contrainte de conception absolue : la restriction dans les échangeurs, les volumes morts, l’évolution de la température pendant l’échange, les pertes de charge finies, ainsi que les phases de compression et de détente peuvent tous modifier l’optimum. Lorsque ces effets sont significatifs, la condition complète impliquant <math display="inline">\sum V_j/T_j</math> doit être utilisée.
 
 
Ces relations expliquent pourquoi un échangeur à faibles pertes tend naturellement vers de faibles différences de pression le long du circuit hydraulique et, avec une cinématique de pistons appropriée, vers une pression quasi constante tout au long de l'échange. L’isobare stricte n'est pas imposé comme contrainte thermodynamique.
 
 
<span id="6.1.3_Balance_equations_valid_throughout_the_cycle"></span>
==== 6.1.3 Équations d'équilibre valides tout au long du cycle ====


<math>\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{ref}}}=
\left(\frac{P_L}{P_{L,\mathrm{ref}}}\right)^{(\gamma-1)/\gamma},</math>


et l'entropie spécifique du gaz restant vérifie <math display="inline">ds=0</math> sous ces hypothèses. Si un débit rétrograde apparaît malgré la conception cinématique, la solution analytique n'est plus applicable et il faut utiliser le bilan ouvert complet en <math display="inline">(m_L,U_L)</math>.
Les quatre volumes de contrôle sont <math display="inline">S</math> , <math display="inline">H_i</math> , <math display="inline">L</math> , et <math display="inline">H_o</math>. Débits massiques signés :


<span id="6.2.2_Heat-out_exchanger_Ho"></span>
<math>
==== 6.2.2 Échangeur Heat-out Ho ====
\dot m_{Si}: S\to H_i,\qquad
\dot m_{iL}: H_i\to L,
</math>


Conservation de la masse :
<math>
\dot m_{Lo}: L\to H_o,\qquad
\dot m_{oS}: H_o\to S.
</math>


<math>\dot m_o=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>


Bilan énergétique fondamental :
Les sens positifs correspondent aux sens de circulation permanents des deux branches :


<math>
<math>
\frac{d(m_oC_vT_o)}{dt}
S\to H_i\to L,
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_L
\qquad
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT_o
L\to H_o\to S.
+(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)
</math>
.</math>
 
 
Chaque branche comporte un clapet passif. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un choix de conception :


Sous forme développée :
<math>
S\to \mathrm{CV}_i\to H_i\to L
\quad\text{or}\quad
S\to H_i\to \mathrm{CV}_i\to L,
</math>


<math>
<math>
\dot T_o=
L\to \mathrm{CV}_o\to H_o\to S
\frac{\dot m_{\mathrm{in}}(C_pT_L-C_vT_o)
\quad\text{or}\quad
-\dot m_{\mathrm{out}}RT_o
L\to H_o\to \mathrm{CV}_o\to S.
+(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)}
</math>
{C_vm_o}
 
.</math>
 
Le clapet contraint la liaison sur laquelle il est installé ; l'autre liaison peut être bidirectionnelle selon sa loi hydraulique.
 
 
Soit <math display="inline">\dot H_{ab}</math> le transport d'enthalpie signé à partir du volume <math display="inline">a</math> vers le volume <math display="inline">b</math>. Pour un gaz calorifiquement parfait :


Les débits sont déterminés par les lois hydrauliques :
<math>
\dot H_{ab}=
\begin{cases}
\dot m_{ab}C_pT_a, & \dot m_{ab}\ge0,\\[4pt]
\dot m_{ab}C_pT_b, & \dot m_{ab}<0.
\end{cases}
</math>


<math>\dot m_{\mathrm{in}}=\Phi_{\mathrm{HX,o}}(P_L,P_o,T_L,\ldots),</math>


<math>\dot m_{\mathrm{out}}=\Phi_{\mathrm{valve,o}}(P_o,P_{Si},T_o,\ldots).</math>
Les bilans massiques sont alors :


<span id="6.2.3_Receiving_pair_S+Hi"></span>
<math>
==== 6.2.3 Paire réceptrice S+Hi ====
\dot m_S=\dot m_{oS}-\dot m_{Si},
</math>


Le débit issu de <math display="inline">H_o</math> entre dans '''S'''. La pression de la paire vérifie :
<math>
\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},
</math>


<math>
<math>
\dot P_{Si}=
\dot m_L=\dot m_{iL}-\dot m_{Lo},
\frac{\gamma R\dot m_{\mathrm{out}}T_o
</math>
+(\gamma-1)(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)
-\gamma P_{Si}\dot V_S}
{V_S+V_i}
.</math>


Les équations de redistribution interne du §4 restent inchangées : le débit externe agit sur l'échangeur <math display="inline">H_i</math> indirectement par l'évolution de la pression de paire.
<math>
\dot m_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.
</math>


La transition vers la Phase III est l'événement de fermeture du clapet <math display="inline">H_o \to S</math>.


<span id="6.3_Phase_III_—_check_valves_closed,_nominally_adiabatic:_expansion_on_the_S_side"></span>
Les bilans énergétiques correspondants sont :
=== 6.3 Phase III — clapets fermés, nominalement adiabatique : expansion du côté S ===


Les deux clapets sont fermés. La paire <math display="inline">S+H_i</math> se détend nominalement ; la paire <math display="inline">L+H_o</math> reste également fermée. Aucun piston n'est supposé rigoureusement immobile.
<math>
\dot U_S
=
\dot H_{oS}-\dot H_{Si}
-P_S\dot V_S,
</math>


Pour <math display="inline">S+H_i</math> :
<math>
\dot U_i
=
\dot H_{Si}-\dot H_{iL}
+\dot Q_i,
</math>


<math>\dot P_{Si}=
<math>
\frac{(\gamma-1)(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)-\gamma P_{Si}\dot V_S}
\dot U_L
{V_S+V_i}.</math>
=
\dot H_{iL}-\dot H_{Lo}
-P_L\dot V_L,
</math>


Pour <math display="inline">L+H_o</math> :
<math>
\dot U_o
=
\dot H_{Lo}-\dot H_{oS}
+\dot Q_o.
</math>


<math>\dot P_{Lo}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)-\gamma P_{Lo}\dot V_L}
{V_L+V_o}.</math>


La transition vers la Phase IV survient lorsque le clapet <math display="inline">H_i \to L</math> satisfait sa condition d'ouverture.
Ces équations sont valables durant les quatre phases. La phase détermine le mouvement prescrit du piston et le processus thermodynamique dominant ; les lois hydrauliques et les différences de pression déterminent les débits réels et l’état des clapets.


<span id="6.4_Phase_IV_—_heat_exchange,_nominally_isothermal:_S_→_Hi_→_L"></span>
=== 6.4 Phase IV — échange thermique, nominalement isotherme : S → Hi → L ===


Le gaz quitte <math display="inline">S</math>, traverse l'échangeur froid <math display="inline">H_i</math>, y reçoit de la chaleur du réservoir froid, franchit le clapet <math display="inline">H_i \to L</math>, puis entre dans le cylindre récepteur <math display="inline">L</math>. La paire <math display="inline">L+H_o</math> reste quasi égalisée si le critère <math display="inline">\varepsilon_P\ll1</math> est satisfait.
=== 6.2 Phase I — compression ===


<span id="6.4.1_Donor_cylinder_S"></span>
==== 6.4.1 Cylindre donneur S ====


Le bilan fondamental est :
Pendant la compression, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément :


<math>
<math>
\frac{d(m_SC_vT_S)}{dt}
\dot V_S<0,\qquad \dot V_L<0
=-P_S\dot V_S-\dot m_{S,\mathrm{out}}C_pT_S
</math>
.</math>
 
sur la partie principale de la phase.
 
 
La pression augmente de la zone d’échange basse pression vers la zone d’échange haute pression. Les deux pistons peuvent contribuer au travail de compression.
 
 
Aucune topologie à paires fermées n'est imposée. Un clapet peut rester ouvert pendant une partie de la compression, et le gaz peut continuer à circuler. En particulier, un cylindre approchant son volume minimal peut transférer son gaz restant vers l'autre cylindre. Le transfert de chaleur à travers <math display="inline">H_i</math> et <math display="inline">H_o</math> continue également.
 
 
L'évolution réelle est donc calculée à partir des bilans complets du §6.1.3. La compression adiabatique est juste la limite de référence réversible décrite au §6.1.1.
 
 
La fin de la phase de compression est définie par la loi cinématique prescrite, et non par un événement de clapet.
 
 
<span id="6.3_Phase_II_—_exchange_through_Ho:_L_→_Ho_→_S"></span>
=== 6.3 Phase II — échange via Ho : L → Ho → S ===
 


Sous débit sortant garanti par la conception cinématique :
La circulation dominante est :


<math>
<math>
\frac{T_S}{T_{S,\mathrm{ref}}}=
L\to H_o\to S.
\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{ref}}}\frac{V_{S,\mathrm{ref}}}{V_S}\right]^{\gamma-1}
</math>
</math>


et :
 
Le gaz sort du grand cylindre, traverse l’échangeur <math display="inline">H_o</math> et entre dans le petit cylindre. Le clapet passif <math display="inline">\mathrm{CV}_o</math> peut se situer avant ou après <math display="inline">H_o</math> ; dans les deux cas, il impose la même sens net dans la branche.
 
 
Pendant l'échange, <math display="inline">L</math> agit principalement en tant que donneur et <math display="inline">S</math> en tant que récepteur. Leurs variations de volume n'ont pas nécessairement la même amplitude. À la limite quasi-isobare, leur rapport du premier ordre suit la relation de température établie au §6.1.2.
 
 
L'échangeur <math display="inline">H_o</math> extrait de la chaleur du gaz :


<math>
<math>
P_S=P_{S,\mathrm{ref}}
\dot Q_o<0
\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{ref}}}\frac{V_{S,\mathrm{ref}}}{V_S}\right]^\gamma
</math>
.</math>
 
dans le régime de fonctionnement prévu.
 
 
L'échange idéal tend vers de faibles différences de pression le long du trajet et une pression approximativement constante sur la phase. Les différences de pression réelles finies nécessaires à l'écoulement sont déterminées par la fermeture hydraulique du §5.
 
 
L'état de l'autre clapet et de tout flux de redistribution secondaire sont déterminés par les pressions instantanées ; ils ne sont pas prescrits par la définition de la phase.


Un débit rétrograde impose de revenir au bilan ouvert complet en <math display="inline">(m_S,U_S)</math>.


<span id="6.4.2_Heat-in_exchanger_Hi"></span>
<span id="6.4_Phase_III_—_expansion"></span>
==== 6.4.2 Échangeur Heat-in Hi ====  
=== 6.4 Phase III — détente ===


<math>\dot m_i=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>


Le bilan énergétique fondamental est :
Lors de la détente, les volumes des deux cylindres peuvent augmenter simultanément :


<math>
<math>
\frac{d(m_iC_vT_i)}{dt}
\dot V_S>0,\qquad \dot V_L>0
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_S
</math>
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT_i
 
+(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)
sur la partie principale de la phase.
.</math>
 
 
La pression diminue de la zone d’échange haute pression vers la zone d’échange basse pression. Les deux pistons peuvent alors contribuer simultanément au travail fourni par le gaz.
 
 
Comme lors de la compression, aucune condition de débit nul ou de clapet fermé n'est imposée. La redistribution de masse peut se poursuivre et les deux échangeurs thermiques restent actifs. Les bilans complets du paragraphe 6.1.3 restent applicables.
 
 
La détente adiabatique est la limite de référence réversible, pas une condition de fonctionnement requise de la machine réelle.
 
 
La fin de la phase de détente est déterminée par la loi cinématique prescrite, indépendamment des événements de clapets.
 
 
<span id="6.5_Phase_IV_—_exchange_through_Hi:_S_→_Hi_→_L"></span>
=== 6.5 Phase IV — échange via Hi : S → Hi → L ===
 


Sous forme développée :
La circulation dominante est :


<math>
<math>
\dot T_i=
S\to H_i\to L.
\frac{\dot m_{\mathrm{in}}(C_pT_S-C_vT_i)
</math>
-\dot m_{\mathrm{out}}RT_i
 
+(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)}
{C_vm_i}
.</math>


Les débits sont déterminés par :
Le gaz quitte le petit cylindre, traverse l’échangeur <math display="inline">H_i</math> et pénètre le grand cylindre. Le clapet <math display="inline">\mathrm{CV}_i</math> peut se situer avant ou après <math display="inline">H_i</math> ; les deux configurations imposent le même sens net dans la branche.


<math>\dot m_{\mathrm{in}}=\Phi_{\mathrm{HX,i}}(P_S,P_i,T_S,\ldots),</math>


<math>\dot m_{\mathrm{out}}=\Phi_{\mathrm{valve,i}}(P_i,P_{Lo},T_i,\ldots).</math>
Pendant l'échange, <math display="inline">S</math> agit principalement en tant que donneur et <math display="inline">L</math> en tant que récepteur. Leurs variations de volume requises dépendent des températures du gaz de part et d'autre, conformément aux relations du §6.1.2.


<span id="6.4.3_Receiving_pair_L+Ho"></span>
==== 6.4.3 Paire réceptrice L+Ho ====


Le débit issu de <math display="inline">H_i</math> entre dans '''L'''. La pression de la paire vérifie :
L'échangeur <math display="inline">H_i</math> fournit de la chaleur au gaz :


<math>
<math>
\dot P_{Lo}=
\dot Q_i>0
\frac{\gamma R\dot m_{\mathrm{out}}T_i
</math>
+(\gamma-1)(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)
 
-\gamma P_{Lo}\dot V_L}
dans le régime de fonctionnement prévu.
{V_L+V_o}
 
.</math>
 
Comme dans la phase II, l'échange idéal tend vers un fonctionnement quasi-égalisé en pression et approximativement isobare, alors que le débit massique réel nécessite des différences de pression hydraulique finies.
 
 
Après cette phase, la cinématique prescrite revient à la phase de compression et la séquence se répète. La fermeture thermodynamique exige néanmoins que le vecteur d'état complet, et non seulement la géométrie du piston, soit périodique.
 
 
<span id="6.6_Motor_operation"></span>
=== 6.6 Fonctionnement moteur ===
 
 
Aucun second ensemble d'équations de masse, d'énergie, de transfert de chaleur ou hydrauliques n'est nécessaire au fonctionnement moteur.


La fermeture du clapet <math display="inline">H_i \to L</math> ramène à la Phase I. La fermeture géométrique des pistons ne suffit pas à garantir la fermeture thermodynamique du cycle.


<span id="6.5_Motor_operation"></span>
Le sens des branches reste :
=== 6.5 Fonctionnement moteur ===


Un deuxième ensemble d’équations d’équilibre thermodynamique n’est pas nécessaire pour le cycle moteur.
<math>
S\to H_i\to L,
\qquad
L\to H_o\to S,
</math>


La topologie hydraulique physique reste :
et les positions et orientations des deux clapets restent inchangées.


<math>L\to H_o\to S,\qquad
S\to H_i\to L.</math>


La direction des clapets reste :
Le fonctionnement moteur est obtenu en inversant le sens de rotation de la manivelle :


<math>H_o\to S,\qquad H_i\to L.</math>
<math>
\omega<0,
</math>


Le fonctionnement moteur est obtenu par :
et en échangeant les réservoirs externes reliés aux échangeurs thermiques :


# inverser le sens de la manivelle,
<math>
# échanger les réservoirs thermiques externes connectés à <math display="inline">H_i</math> et <math display="inline">H_o</math>.
T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},
\qquad
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.
</math>


ainsi :


<math>\omega<0,</math>
Le cycle géométrique est donc parcouru en sens inverse. Les historiques de pression, les débits massiques, les événements des clapets et l'état thermodynamique périodique doivent tous être recalculés ; la chronologie des évènements de clapets en fonctionnement frigorifique n'est pas conservée.


avec la même origine du cycle :


<math>V_L(0)=V_{L,\max}.</math>
Dans le fonctionnement frigorifique prévu, le transfert <math display="inline">L\to H_o\to S</math> se produit du côté haute pression du cycle, tandis que le transfert <math display="inline">S\to H_i\to L</math> s'effectue du côté basse pression.


L’affectation des réservoirs thermiques devient :
Dans le fonctionnement moteur, l'inversion du sens de rotation de la manivelle inverse ces rôles de pression : <math display="inline">L\to H_o\to S</math> devient l'échange à basse pression, tandis que <math display="inline">S\to H_i\to L</math> devient l'échange haute pression.


<math>T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},\qquad
Les fonctions thermiques physiques des échangeurs restent inchangées : <math display="inline">H_i</math> amène toujours de la chaleur au gaz et <math display="inline">H_o</math> extrait toujours de la chaleur du gaz.
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The heat-in exchanger therefore absorbs heat from the hot reservoir:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_i</math> absorbe la chaleur du réservoir chaud :
<math>Q_i>0,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
while the heat-out exchanger rejects heat to the cold reservoir:
Q_i>0,
</div>
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_o</math> rejette de la chaleur vers le réservoir froid :
<math>Q_o<0.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
The pressure histories, mass flow rates, check-valve events, and periodic thermodynamic state must be recalculated with the reversed kinematics.
Q_o<0,
</div>
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et le fonctionnement moteur est obtenu lorsque :
The motor regime is obtained when:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>W_{\mathrm{cycle}}>0.</math>
W_{\mathrm{cycle}}>0.
</div>
</math>


<span id="7._Physical_transitions_of_the_check_valves"></span>
<span id="7._Physical_transitions_of_the_check_valves"></span>
Line 630: Line 1,086:
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>


Une ouverture ou une fermeture modifie la topologie hydraulique et donc les équations actives ; elle ne provoque aucun saut instantané de l'état thermodynamique. Pour chaque volume :
Une ouverture ou fermeture de clapet modifie le débit hydraulique admissible dans la branche ; elle ne définit pas de limite de phase et ne provoque aucun saut instantané de l'état thermodynamique. Pour chaque volume :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
<math>m_i^+=m_i^-,\qquad U_i^+=U_i^-,\qquad V_i^+=V_i^-.</math>
</div>


Pour le gaz parfait :
Pour le gaz parfait :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>
<math>T_i^+=T_i^-,\qquad P_i^+=P_i^-.</math>
</div>


Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.
Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.


Les valeurs <math display="inline">\Lambda^*</math> servent de cibles de conception cinématique ; les valeurs réellement observées lors des transitions sont <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}=\Lambda(t_{\mathrm{event}})</math>.
Les valeurs <math display="inline">\Lambda^*</math> servent de cibles de conception cinématique ; les valeurs réellement observées lors des évènements de clapet sont <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}=\Lambda(t_{\mathrm{event}})</math>.


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les deux clapets passifs ont des orientations de branche permanentes : l’un permet la circulation le long de <math display="inline">L\to H_o\to S</math> , l'autre le long <math display="inline">S\to H_i\to L</math> .
The two passive check valves have permanent physical orientations:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Chaque clapet peut être installé en amont ou en aval de son échangeur thermique. Ses conditions d'ouverture et de fermeture dépendent donc des pressions immédiatement adjacentes à sa position.
<math>H_o\to S,\qquad H_i\to L.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Leurs conditions d’ouverture et de fermeture sont identiques dans les deux modes de fonctionnement. Seule l’historique des pressions change en raison de la cinématique inversée de la manivelle en fonctionnement moteur.
Their opening and closing conditions are identical in both operating modes. Only the pressure histories change because the crank kinematics are reversed in motor operation.
</div>


<span id="8._Work,_heat,_and_performance"></span>
<span id="8._Work,_heat,_and_performance"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
== 8. Travail, chaleur et performance ==
== 8. Travail, chaleur et coefficient de performance ==
</div>


Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases :
Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases à partir des pressions dans les cylindres :


<math>
<math>
\dot W=P_S^\star\dot V_S+P_L^\star\dot V_L
\dot W=P_S\dot V_S+P_L\dot V_L
.</math>
.</math>
<math display="inline">P_S^\star</math> et <math display="inline">P_L^\star</math> désignent la pression thermodynamique effectivement appliquée au gaz dans chaque cylindre selon la topologie de la phase : pression de paire lorsque le cylindre appartient à une paire quasi égalisée, pression propre lorsqu'il est donneur isolé hydrauliquement.


Le travail net du cycle est :
Le travail net du cycle est :
Line 676: Line 1,118:
W_{\mathrm{cycle}}=
W_{\mathrm{cycle}}=
\int_0^\tau
\int_0^\tau
\left(P_S^\star\dot V_S+P_L^\star\dot V_L\right)dt
\left(P_S\dot V_S+P_L\dot V_L\right)dt
.</math>
.</math>
Lorsque les pressions des deux cylindres sont comparables pendant une phase de changement de pression,
<math>
\dot W\approx P(\dot V_S+\dot V_L).
</math>
Si les deux cylindres se ferment lors de la compression, ou s'ils s’ouvrent lors de la détente, leurs contributions respectives s'additionnent au lieu de s'annuler partiellement. Cela rend une plus grande fraction du volume balayé disponible pour participer à la compression et à la détente, pour une courbe de pression comparable. Ceci ne prouve pas en soi un rendement thermique supérieur, car les transferts de chaleur et la courbe de pression qui en résultent évoluent également.


Les chaleurs échangées sont :
Les chaleurs échangées sont :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>Q_i=\int_0^\tau (UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)\,dt,</math>
<math>Q_C=\int_0^\tau (UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)\,dt,</math>
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>Q_o=\int_0^\tau (UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)\,dt.</math>
<math>Q_H=\int_0^\tau (UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)\,dt.</math>
</div>


En régime périodique :
En régime périodique :
Line 695: Line 1,142:
et le premier principe donne :
et le premier principe donne :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
<math>Q_C+Q_H=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
</div>


Le COP frigorifique est :
Le COP frigorifique est :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>COP_c=\frac{Q_i}{-W_{\mathrm{cycle}}}.</math>
<math>COP_c=\frac{Q_C}{-W_{\mathrm{cycle}}}.</math>
</div>


Le COP en pompe à chaleur est :
Le COP en pompe à chaleur est :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>COP_h=\frac{-Q_o}{-W_{\mathrm{cycle}}}=COP_c+1.</math>
<math>COP_h=\frac{-Q_H}{-W_{\mathrm{cycle}}}=COP_c+1.</math>
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
Les signes <math display="inline">Q_i>0</math>, <math display="inline">Q_o<0</math> et <math display="inline">W_{\mathrm{cycle}}<0</math> constituent des contrôles du régime frigorifique recherché.
Les signes <math display="inline">Q_C>0</math>, <math display="inline">Q_H<0</math> et <math display="inline">W_{\mathrm{cycle}}<0</math> constituent des contrôles du régime frigorifique recherché.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour le cycle moteur :
For motor operation:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Q_i>0,\qquad Q_o<0,\qquad W_{\mathrm{cycle}}>0.</math>
<math>Q_i>0,\qquad Q_o<0,\qquad W_{\mathrm{cycle}}>0.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le rendement thermique est :
The thermal efficiency is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\eta_{\mathrm{th}}
\eta_{\mathrm{th}}
Line 735: Line 1,167:
1+\frac{Q_o}{Q_i}.
1+\frac{Q_o}{Q_i}.
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La puissance thermodynamique moyenne du moteur est :
The mean thermodynamic motor power is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\overline{\dot W}
\overline{\dot W}
Line 747: Line 1,175:
\frac{W_{\mathrm{cycle}}}{\tau}.
\frac{W_{\mathrm{cycle}}}{\tau}.
</math>
</math>
</div>




Line 757: Line 1,184:
La quantité totale de gaz enfermée est un paramètre physique :
La quantité totale de gaz enfermée est un paramètre physique :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>M_{\mathrm{tot}}=m_S+m_L+m_i+m_o=\mathrm{const}.</math>
<math>M_{\mathrm{tot}}=m_S+m_L+m_C+m_H=\mathrm{const}.</math>
</div>


Elle peut être imposée directement ou définie expérimentalement par une pression et une température de charge. La configuration de référence choisie est celle de <math display="inline">t=0</math>, avec le grand cylindre au volume maximal. Si tous les volumes communiquent et sont en équilibre uniforme pendant le remplissage :
Elle peut être imposée directement ou définie expérimentalement par une pression et une température de charge. La configuration de référence choisie est celle de <math display="inline">t=0</math>, avec le grand cylindre au volume maximal. Si tous les volumes communiquent et sont en équilibre uniforme pendant le remplissage :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>
<math>
M_{\mathrm{tot}}=
M_{\mathrm{tot}}=
\frac{P_{\mathrm{charge}}
\frac{P_{\mathrm{charge}}
\left[V_S(0)+V_{L,\max}+V_C+V_H\right]}
\left[V_S(0)+V_{L,\max}+V_i+V_o\right]}
{RT_{\mathrm{charge}}}
{RT_{\mathrm{charge}}}
.</math>
.</math>
</div>


<math display="inline">P_{\mathrm{charge}}</math> et <math display="inline">T_{\mathrm{charge}}</math> définissent la quantité de gaz chargée ; ils ne constituent pas une condition que le cycle périodique doit retrouver.
<math display="inline">P_{\mathrm{charge}}</math> et <math display="inline">T_{\mathrm{charge}}</math> définissent la quantité de gaz chargée ; ils ne constituent pas une condition que le cycle périodique doit retrouver.
Line 780: Line 1,203:
La périodicité géométrique seule :
La périodicité géométrique seule :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>V_k(t+\tau)=V_k(t),\qquad k\in\{S,L\}.</math>
<math>V_i(t+\tau)=V_i(t)</math>
</div>


ne suffit pas à garantir la périodicité thermodynamique.
ne suffit pas à garantir la périodicité thermodynamique.
Line 794: Line 1,215:
=== 10.1 Données imposées ===
=== 10.1 Données imposées ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
* mode de fonctionnement ;
* températures des réservoirs <math display="inline">T_{\mathrm{cold}}</math> et  <math display="inline">T_{\mathrm{hot}}</math> ;
* vitesses angulaire signée de la manivelle <math display="inline">\omega</math>.
* fluide de travail et propriétés de référence <math display="inline">R</math>, <math display="inline">C_p</math>, <math display="inline">C_v</math>, <math display="inline">\gamma</math> ;
* fluide de travail et propriétés de référence <math display="inline">R</math>, <math display="inline">C_p</math>, <math display="inline">C_v</math>, <math display="inline">\gamma</math> ;
* températures des réservoirs <math display="inline">T_{C,\mathrm{res}}</math>, <math display="inline">T_{H,\mathrm{res}}</math> ;
* charge totale <math display="inline">M_{\mathrm{tot}}</math>, ou équivalent <math display="inline">(P_{\mathrm{charge}},T_{\mathrm{charge}})</math> dans la configuration de remplissage définie au §9 ;
* charge totale <math display="inline">M_{\mathrm{tot}}</math>, ou équivalent <math display="inline">(P_{\mathrm{charge}},T_{\mathrm{charge}})</math> dans la configuration de remplissage définie au §9 ;
* cinématique <math display="inline">V_S(t)</math>, <math display="inline">V_L(t)</math> et, si pertinent, <math display="inline">\omega</math>.
* cinématique <math display="inline">V_S(t)</math>, <math display="inline">V_L(t)</math>.
</div>


<span id="10.2_Design_parameters"></span>
<span id="10.2_Design_parameters"></span>
=== 10.2 Paramètres de conception ===
=== 10.2 Paramètres de conception ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
* <math display="inline">V_{S,\min}</math>, <math display="inline">V_{S,\max}</math>, <math display="inline">V_{L,\min}</math>, <math display="inline">V_{L,\max}</math> ;
* <math display="inline">V_{S,\min}</math>, <math display="inline">V_{S,\max}</math>, <math display="inline">V_{L,\min}</math>, <math display="inline">V_{L,\max}</math> ;
* <math display="inline">V_C</math>, <math display="inline">V_H</math> ;
* <math display="inline">V_i</math>, <math display="inline">V_o</math> ;
* <math display="inline">(UA)_C</math>, <math display="inline">(UA)_H</math> ;
* <math display="inline">(UA)_i</math>, <math display="inline">(UA)_o</math> ;
* paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par <math display="inline">(C_dA)_{\mathrm{eff}}</math> ;
* paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par <math display="inline">(C_dA)_{\mathrm{eff}}</math> ;
* seuils <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{open}}</math>, <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{close}}</math> ;
* seuils <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{open}}</math>, <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{close}}</math> ;
* position amont ou aval de chaque clapet relativement à son échangeur thermique ;
* cibles cinématiques <math display="inline">\Lambda_L^*</math>, <math display="inline">\Lambda_S^*</math>.
* cibles cinématiques <math display="inline">\Lambda_L^*</math>, <math display="inline">\Lambda_S^*</math>.
</div>


<span id="10.3_Calculated_variables_and_results"></span>
<span id="10.3_Calculated_variables_and_results"></span>
=== 10.3 Variables et résultats calculés ===
=== 10.3 Variables et résultats calculés ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
* <math display="inline">m_j,U_j,T_j,P_j,\qquad j\in\{S,L,i,o\}</math> ;
* <math display="inline">m_i</math>, <math display="inline">U_i</math>, <math display="inline">T_i</math>, <math display="inline">P_i</math> ;
* débits massiques internes et externes ;
* débits massiques internes et externes ;
* <math display="inline">\dot Q_C</math>, <math display="inline">\dot Q_H</math>, <math display="inline">Q_C</math>, <math display="inline">Q_H</math> ;
* <math display="inline">\dot Q_i</math>, <math display="inline">\dot Q_o</math>, <math display="inline">Q_i</math>, <math display="inline">Q_o</math> ;
* <math display="inline">W_{\mathrm{cycle}}</math>, <math display="inline">COP_c</math>, <math display="inline">COP_h</math> ;
* <math display="inline">W_{\mathrm{cycle}}</math>, <math display="inline">COP_c</math>, <math display="inline">COP_h</math> ;
* <math display="inline">\eta_{\mathrm{th}}</math> en fonctionnement moteur ;
* extrema de pression, température et débit ;
* extrema de pression, température et débit ;
* événements réels des clapets et <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}</math> ;
* événements réels des clapets et <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}</math> ;
* qualité d'isothermie <math display="inline">\varepsilon_T</math> ;
* critères de validité <math display="inline">\varepsilon_P</math>, <math display="inline">Ma</math>, <math display="inline">Z</math> et variation des propriétés.
* critères de validité <math display="inline">\varepsilon_P</math>, <math display="inline">Ma</math>, <math display="inline">Z</math> et variation des propriétés.
</div>


<span id="11._Global_conservation_checks"></span>
<span id="11._Global_conservation_checks"></span>
Line 846: Line 1,264:
Quelle que soit la phase, les flux massiques et enthalpiques internes doivent s'annuler lorsque les bilans de tous les volumes sont additionnés. Le bilan global doit se réduire à :
Quelle que soit la phase, les flux massiques et enthalpiques internes doivent s'annuler lorsque les bilans de tous les volumes sont additionnés. Le bilan global doit se réduire à :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>
<math>
\frac{dU_{\mathrm{tot}}}{dt}
\frac{dU_{\mathrm{tot}}}{dt}
=\dot Q_C+\dot Q_H
=\dot Q_i+\dot Q_o
-P_S^\star\dot V_S
-P_S\dot V_S
-P_L^\star\dot V_L
-P_L\dot V_L
.</math>
.</math>
</div>


Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :
Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>
<math>
\varepsilon_E(t)=
\varepsilon_E(t)=
U_{\mathrm{tot}}(t)-U_{\mathrm{tot}}(0)
U_{\mathrm{tot}}(t)-U_{\mathrm{tot}}(0)
-Q_C(0,t)-Q_H(0,t)+W(0,t)
-Q_i(0,t)-Q_o(0,t)+W(0,t)
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Sur un cycle périodique :
Over a periodic cycle:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
</div>


Le solveur doit maintenir <math display="inline">\varepsilon_M</math> et <math display="inline">\varepsilon_E</math> proches de zéro à la précision numérique attendue.
Le solveur doit maintenir <math display="inline">\varepsilon_M</math> et <math display="inline">\varepsilon_E</math> proches de zéro à la précision numérique attendue.
Line 878: Line 1,288:


<span id="Appendix_A_—_Symbolic_derivations_and_validated_checks"></span>
<span id="Appendix_A_—_Symbolic_derivations_and_validated_checks"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
== Annexe A — Dérivations symboliques et contrôles validés ==
= Annexe A — Dérivations symboliques et contrôles validés =
</div>


<span id="A.1_Pressure_equation_for_a_closed_pair"></span>
<span id="A.1_Pressure_equation_for_a_closed_pair"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.1 Équation de pression d'une paire fermée ===
== A.1 Équation de pression d'une paire fermée ==
</div>


Pour une paire cylindre + échangeur à pression quasi uniforme :
Pour une paire cylindre + échangeur à pression quasi uniforme :
Line 922: Line 1,328:


<span id="A.2_Internal_flow_rate_of_the_pair"></span>
<span id="A.2_Internal_flow_rate_of_the_pair"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">


== A.2 Débit interne de la paire ==
=== A.2 Débit interne de la paire ===
</div>




Line 946: Line 1,350:


<span id="A.3_Evolution_of_the_heat-exchanger_temperature_within_a_pair"></span>
<span id="A.3_Evolution_of_the_heat-exchanger_temperature_within_a_pair"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.3 Évolution de la température de l'échangeur dans une paire ===
== A.3 Évolution de la température de l'échangeur dans une paire ==
</div>




Line 972: Line 1,374:
Cette relation découle uniquement de la conservation de masse et de l'équation d'état ; elle est valable pour les deux sens de débit.
Cette relation découle uniquement de la conservation de masse et de l'équation d'état ; elle est valable pour les deux sens de débit.


<span id="A.4_Open_receiving_pair"></span>
<span id="A.4_Open_quasi-pressure-equalized_pair"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.4 Paire ouverte quasi-égalisée en pression ===
== A.4 Paire réceptrice ouverte ==
</div>




Pour une paire recevant <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}</math> dans son cylindre :
Pour une paire recevant <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}</math> à travers sa frontière extérieure :


<math>\frac{dU}{dt}=\dot m_{\mathrm{ext}}C_pT_{\mathrm{ext}}
<math>\frac{dU}{dt}=\dot m_{\mathrm{ext}}C_pT_{\mathrm{ext}}
Line 994: Line 1,394:
.</math>
.</math>


Si le flux extérieur pénètre dans le cylindre et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{int}}</math> est positif du cylindre vers l'échangeur thermique :


Le bilan de masse local :
<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=\dot m_{\mathrm{ext}}-\dot m_{\mathrm{int}},</math>


<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=\dot m_{\mathrm{ext}}-\dot m_{\mathrm{int}},</math>
<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}}.</math>


<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}},</math>
Si, en revanche, le flux externe entre en premier dans l'échangeur thermique :


<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=-\dot m_{\mathrm{int}},\qquad
\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{ext}}+\dot m_{\mathrm{int}}.</math>


redonne immédiatement :
Dans les deux cas :


<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>


<span id="A.5_Analytical_solution_for_the_adiabatic_donor_cylinder"></span>
<span id="A.5_Analytical_solution_for_the_adiabatic_donor_cylinder"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.5 Solution analytique du cylindre donneur adiabatique ===
== A.5 Solution analytique du cylindre donneur adiabatique ==
</div>




Line 1,057: Line 1,458:


<span id="A.6_Active_heat_exchanger:_expanded_balance"></span>
<span id="A.6_Active_heat_exchanger:_expanded_balance"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.6 Échangeur actif : bilan développé ===
== A.6 Échangeur actif : bilan développé ==
</div>


Bilan fondamental :
Bilan fondamental :
Line 1,087: Line 1,486:
* si <math display="inline">T_{\mathrm{in}}=T</math> et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{in}}=\dot m_{\mathrm{out}}</math>, la contribution nette du débit à <math display="inline">\dot T</math> s'annule.
* si <math display="inline">T_{\mathrm{in}}=T</math> et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{in}}=\dot m_{\mathrm{out}}</math>, la contribution nette du débit à <math display="inline">\dot T</math> s'annule.


<span id="A.7_Global_mass_test_during_an_active_phase"></span>
<span id="A.7_Global_mass_test"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.7 Test de masse global ===
== A.7 Test global de masse en phase active ==
 
</div>
Utilisation des flux signés définis au §6 :
 
<math>\dot m_S=-\dot m_{Si}+\dot m_{oS},</math>


Pour la Phase II :
<math>\dot m_L=\dot m_{iL}-\dot m_{Lo},</math>


<math>\dot m_L=-\dot m_{\mathrm{in}},</math>
<math>\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>\dot m_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.</math>
<math>\dot m_H=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}},</math>
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>\dot m_{SC}=\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
</div>


En sommant :
La somme des quatre équations annule exactement tout flux de masse interne :


<math>\dot M_{\mathrm{tot}}=0.</math>
<math>\dot M_{\mathrm{tot}}=0.</math>


La Phase IV donne exactement le même résultat par symétrie.


<span id="A.8_Global_energy_test_during_an_active_phase"></span>
Ce résultat est indépendant de la phase active, du sens d'écoulement sur les liaisons bidirectionnelles, et de la position des deux clapets.
<div class="mw-translate-fuzzy">
 
== A.8 Test global d'énergie en phase active ==
</div>


Pour la Phase II :
<span id="A.8_Global_energy_test"></span>
=== A.8 Test énergétique global ===


<math>\dot U_L=-P_L\dot V_L-\dot m_{\mathrm{in}}h_L,</math>
En utilisant les flux d'enthalpie signés définis au §6 :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>\dot U_S=-P_S\dot V_S-\dot H_{Si}+\dot H_{oS},</math>
<math>\dot U_H=\dot m_{\mathrm{in}}h_L-\dot m_{\mathrm{out}}h_H+\dot Q_H,</math>
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>\dot U_L=-P_L\dot V_L+\dot H_{iL}-\dot H_{Lo},</math>
<math>\dot U_{SC}=\dot m_{\mathrm{out}}h_H+\dot Q_C-P_{SC}\dot V_S.</math>
</div>


Les flux enthalpiques internes s'annulent exactement :
<math>\dot U_i=\dot H_{Si}-\dot H_{iL}+\dot Q_i,</math>


<math>-\dot m_{\mathrm{in}}h_L+\dot m_{\mathrm{in}}h_L=0,</math>
<math>\dot U_o=\dot H_{Lo}-\dot H_{oS}+\dot Q_o.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>-\dot m_{\mathrm{out}}h_H+\dot m_{\mathrm{out}}h_H=0.</math>
</div>


Il reste :
Tous les flux d'enthalpie internes s'annulent exactement lorsque les quatre bilans sont additionnés :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>
<math>
\dot U_{\mathrm{tot}}
\dot U_{\mathrm{tot}}
=\dot Q_C+\dot Q_H
=\dot Q_i+\dot Q_o
-P_L\dot V_L-P_{SC}\dot V_S
-P_S\dot V_S-P_L\dot V_L
.</math>
.</math>
</div>


La Phase IV fournit la relation symétrique. Dans les phases fermées, la même structure résulte directement de la somme des bilans des deux paires. D'où, pour toute phase :


<div class="mw-translate-fuzzy">
Intégré sur une période :
<math>
\dot U_{\mathrm{tot}}
=\dot Q_C+\dot Q_H
-P_S^\star\dot V_S-P_L^\star\dot V_L
.</math>
</div>


Intégrée sur un cycle périodique, cette relation redonne :
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>Q_C+Q_H=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
</div>


<span id="A.9_Continuity_at_transitions"></span>
<span id="A.9_Continuity_at_transitions"></span>
<div class="mw-translate-fuzzy">
=== A.9 Continuité aux transitions ===
== A.9 Continuité aux transitions ==
</div>




À l'instant d'un événement de clapet, aucune masse ni énergie finie ne peut être transférée en un temps nul. Les variables conservées et la géométrie sont donc continues :
À l'instant d'un événement de clapet, aucune masse ni énergie finie ne peut être transférée en un temps nul. Les variables conservées et la géométrie sont donc continues :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>\qquad j\in\{S,L,i,o\}</math>
<math>m_i^+=m_i^-,\qquad U_i^+=U_i^-,\qquad V_i^+=V_i^-.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
</div>


Avec le gaz parfait :
Avec le gaz parfait :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>T_j=\frac{U_j}{m_jC_v},\qquad P_j=\frac{m_jRT_j}{V_j},</math>
<math>T_i=\frac{U_i}{m_iC_v},\qquad P_i=\frac{m_iRT_i}{V_i},</math>
</div>


ce qui implique :
ce qui implique :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>
<math>T_i^+=T_i^-,\qquad P_i^+=P_i^-.</math>
</div>
 


L'événement ne crée qu'un changement de topologie hydraulique et de système d'équations actif.
L’événement modifie uniquement le débit hydraulique admissible sur la liaison du clapet ; l'état thermodynamique reste continu.

Latest revision as of 12:21, 22 September 2026

1. Périmètre et méthode

Cette étude décrit le cycle thermodynamique complet de la machine Dada sous forme symbolique, en mode réfrigération ainsi qu’en mode moteur. Le modèle couple une cinématique imposée des deux pistons, des volumes de gaz bien mélangés, des échangeurs thermiques 0D, des clapets passifs et une fermeture hydraulique compressible générique.

L'origine du cycle est fixée au volume maximal du grand cylindre, avec :

t=0,θ(0)=0,VL(0)=VL,max.

Les quatre volumes de gaz sont :

  • S : petit cylindre ;
  • L : grand cylindre ;
  • Hi : échangeur thermique "Heat-in", situé sur le chemin hydraulique S→L et qui apporte de la chaleur au gaz ;
  • Ho : échangeur thermique "Heat-out", situé sur le chemin hydraulique L→S et qui enlève de la chaleur au gaz.

Les deux branches hydrauliques ont des sens de circulation fixes :

S→Hi→L,

L→Ho→S.


Chaque branche comporte un clapet passif, qui peut être installé d’un côté ou de l'autre de son échangeur de chaleur. Les deux configurations possibles pour la branche d'arrivée de chaleur sont :

S→CVi→Hi→L,

ou :

S→Hi→CVi→L.


De même, la branche heat-out peut être agencée ainsi :

L→CVo→Ho→S,

ou :

L→Ho→CVo→S.


Dans tous les cas, le clapet impose le même sens de circulation général dans sa branche. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un paramètre de conception car, lorsque le clapet est fermé, il détermine quel cylindre reste hydrauliquement relié au volume de l'échangeur.


La fonction physique de chaque échangeur de chaleur est indépendante du mode de fonctionnement. Ce qui change entre le fonctionnement en mode frigorifique et le fonctionnement en mode moteur, c'est le réservoir thermique externe auquel chaque échangeur est relié.


Le cycle est décrit par quatre phases hydrauliques/thermodynamiques : compression, transfert à travers Ho depuis L à S , expansion et transfert à travers Hi depuis S à L En mode réfrigération, à partir de l'origine de référence utilisée dans cette étude, ces phases se succèdent dans cet ordre. Le fonctionnement du moteur inverse le sens de rotation de la manivelle. La chronologie thermodynamique résultante doit être recalculée en conservant l'orientation des clapets et en inversant l'affectation des réservoirs ; il est détaillé au paragraphe 6.6.


Les limites des phases décrivent la cinématique et le régime thermodynamique dominant. Elles ne correspondent pas aux événements de clapets. L'ouverture et la fermeture des clapets sont déterminées indépendamment par la différence de pression locale à travers chaque clapet ; les transferts de masse et de chaleur peuvent donc se poursuivre pendant la compression ou la détente, et un événement de clapet peut se produire au sein d'une phase cinématique.


Les deux phases de transfert sont prévues quasi-isobares : un cylindre se vide tandis que l’autre se remplit, et la variation de pression doit rester faible comparé à celle observée lors de la compression et de la détente. La compression et la détente peuvent impliquer le mouvement simultané des deux pistons dans le même sens volumétrique, de sorte que les deux cylindres peuvent contribuer simultanément à la phase de variation de pression.


Pour comparer avec un cycle thermodynamique idéal, la compression et la détente peuvent être idéalisées comme transformations adiabatiques ; si elles sont en plus réversibles, elles sont isentropiques. Il ne s’agit que d’une référence, la machine réelle n’impose ni transfert de chaleur nul, ni transfert de masse nul, ni clapets fermés pendant la compression et la détente, et aucune construction permettant d’assurer des phases parfaitement adiabatiques n’est supposée ici.


1.1 Hypothèses de premier niveau

Le modèle repose sur les hypothèses suivantes :

  • gaz monophasique, parfait et calorifiquement parfait ;
  • propriétés constantes R, Cp, Cv, γ avec R=Cp−Cv et γ=Cp/Cv ;
  • chaque volume de gaz est uniforme et bien mélangé ;
  • énergie cinétique et énergie potentielle du gaz négligées dans les bilans 0D ;
  • volumes des échangeurs fixes ;
  • cinématique des pistons imposée ;
  • pas de frottement mécanique dans le modèle thermodynamique ;
  • échanges thermiques représentés par une conductance globale UA ;
  • clapets passifs commandés par la différence de pression.

2. Notations et conventions

2.1 Géométrie et cinématique

Pour k∈{S,L} :

Vk,min>0,Vk,max>Vk,min.

Le volume balayé est :

Vk,swept=Vk,max−Vk,min.

Les volumes thermodynamiques imposés par la mécanique sont :

VS=VS(t),VL=VL(t),

avec leurs dérivées signées :

V˙S=dVSdt,V˙L=dVLdt.

La vitesse angulaire de la manivelle est signée :

θ(t)=ωt,V˙k=ωdVkdθ,k∈{S,L}.

Le sens récepteur en réfrigération est défini comme positif :

ω>0.

Le fonctionnement moteur utilise la direction de manivelle opposée :

ω<0.

L’origine géométrique est identique dans les deux modes :

t=0,θ(0)=0,VL(0)=VL,max.

Lorsque seule la valeur absolue de la vitesse volumique est utile :

νV,k=|V˙k|.

2.2 Fraction de fermeture cinématique

Pour décrire la fermeture normalisée d'un cylindre :

Λk(t)=Vk,max−Vk(t)Vk,max−Vk,min,k∈{S,L}.

Ainsi Λk=0 correspond au volume maximal et Λk=1 au volume minimal. Les valeurs ΛL∗ et ΛS∗ sont des cibles cinématiques nominales aux transitions. La valeur réellement atteinte lors d'un événement de clapet est :

Λreal=Λ(tevent).

Les évènements de clapets sont déterminés par les pressions locales à travers les clapets et sont indépendants des transitions de phases cinématiques ; Λ∗ n'est donc pas une condition d'ouverture imposée.

2.3 Variables thermodynamiques

Pour chaque volume j∈{S,L,C,H} :

mj,Uj,Tj,Pj,Vj.

Les indices i et o dénotent respectivement le gaz contenu dans Hi et Ho.

Le vecteur d'état complet est choisi sous la forme :

𝐗=(mS,US,mL,UL,mi,Ui,mo,Uo).

Les températures et pressions en sont déduites :

Tj=UjmjCv,Pj=mjRTjVj.

Les volumes VS(t) et VL(t) sont imposés par la cinématique et ne sont pas des variables d'état thermodynamiques indépendantes. Les volumes Vi et Vo sont constants.

2.4 Convention de signe énergétique

La chaleur est positive lorsqu'elle est reçue par le gaz. Le travail est positif lorsque le gaz fournit du travail :

W˙=PV˙.

Par définition des deux échangeurs thermiques physiques :

Qi>0,Qo<0

dans les conditions de fonctionnement prévues, tant pour le système de réfrigération que pour le moteur.

Le travail net du cycle distingue les deux modes :

Wcycle<0

pour le mode récepteur en réfrigération, alors que :

Wcycle>0

pour le mode moteur.

3. Fermeture thermique et domaine de validité

3.1 Échange avec les réservoirs thermiques

Pour l’échangeur "heat-in" :

Q˙i=(UA)i(Ti,res−Ti).

Dans les conditions de fonctionnement prévues :

Ti<Ti,res⇒Q˙i>0.

Pour l’échangeur "heat-out" :

Q˙o=(UA)o(To,res−To).

Dans les conditions de fonctionnement prévues :

To>To,res⇒Q˙o<0.

Les températures des réservoirs dépendent du mode de fonctionnement

En mode réfrigération :

Ti,res=Tcold,To,res=Thot.

En mode moteur :

Ti,res=Thot,To,res=Tcold.

Ainsi les équations de transfert thermique sont identiques dans les deux modes.


3.2 Domaine de validité thermophysique

Le modèle de base suppose :

PV=mRT,Z=1,

Cp=const,Cv=const,γ=const.

La validité doit être contrôlée a posteriori sur tout le cycle, notamment par :

|Z−1|≪1,

et par une faible variation des propriétés thermophysiques, par exemple :

εCp=Cp,max−Cp,minCp,ref≪1.

Le fluide doit rester monophasique gazeux et suffisamment éloigné de toute condensation ou transition de phase dans l'ensemble du domaine (P,T) parcouru.

Si ces critères deviennent insuffisants, une extension pourra employer Z(P,T), Cp(T), Cv(T) ou une équation d'état réelle sans modifier l'architecture générale des bilans de masse et d'énergie.

4. Formulations réduites pour les volumes connectés quasi-égalisés en pression.


Le modèle complet traite les quatre volumes de gaz indépendamment. Cependant, dans certaines conditions de fonctionnement, un ensemble de volumes reliés par une résistance hydraulique suffisamment faible peut rester proche d'une pression commune. Un tel ensemble peut alors être traité par une formulation analytique simplifiée.


Notons 𝒞 tout ensemble connecté de volumes de gaz tel que :

Pj≈P𝒞,j∈𝒞.


La composition de 𝒞 est déterminéé par la connectivité hydraulique réelle et par la position et l'état des clapets.


Un critère utile d'égalisation de la pression est :

εP,𝒞=max(a,b)∈𝒞|Pa−Pb|P𝒞≪1.


Un faible nombre de Mach interne constitue un contrôle complémentaire :

Maint=|uint|a≪1,

mais il ne suffit pas, à lui seul, à garantir l'égalisation des pressions.


4.1 Équation de pression pour un ensemble connecté

Définissons le volume total :

V𝒞=∑j∈𝒞Vj.


Seuls les volumes des cylindres varient :

V˙𝒞=∑k∈𝒞∩{S,L}V˙k.


Pour un gaz parfait calorifiquement parfait à la pression commune :

U𝒞=∑j∈𝒞mjCvTj=P𝒞V𝒞γ−1.


Chaleur totale reçue par le gaz dans l'ensemble :

Q˙𝒞=∑j∈𝒞Q˙j.


La masse traversant la frontière de l'ensemble transporte l'enthalpie depuis son état initial. On définit ainsi le flux net d'enthalpie externe entrant dans l'ensemble :

H˙𝒞ext=∑inm˙CpTu−∑outm˙CpTu.


La première loi pour l'ensemble connecté complet s’écrit alors :

dU𝒞dt=Q˙𝒞+H˙𝒞ext−P𝒞V˙𝒞.


Et donc :

P˙𝒞=(γ−1)(Q˙𝒞+H˙𝒞ext)−γP𝒞V˙𝒞V𝒞.


La masse totale de l'ensemble satisfait la condition suivante :

M˙𝒞=∑inm˙−∑outm˙.


Les transferts internes de masse et d'enthalpie entre les membres de 𝒞 s’annulent sur ces bilans globaux.


4.2 Ensemble fermé et connecté

Si aucune masse ne franchit la limite de 𝒞 :

H˙𝒞ext=0,M˙𝒞=0.


L'équation de pression devient :

P˙𝒞=(γ−1)Q˙𝒞−γP𝒞V˙𝒞V𝒞.


Si l'ensemble est également adiabatique :

Q˙𝒞=0,

Alors :

P𝒞V𝒞γ=const.


C’est un cas limite analytique. Une phase de compression ou de détente de la machine complète n'exige pas que l'ensemble connecté correspondant soit fermé ou adiabatique.


4.3 Échangeur thermique à volume fixe dans un ensemble à pression équilibrée

Pour un échangeur thermique Hj de volume fixe Vj appartenant à 𝒞 :

mj=P𝒞VjRTj.


La dérivation donne :

m˙jmj=P˙𝒞P𝒞−T˙jTj,

D'où :

T˙j=TjP𝒞P˙𝒞−RTj2P𝒞Vjm˙j.


Le débit massique de l'échangeur m˙j est la somme algébrique des débits réels à travers toutes les liaisons qui y sont connectées. Cette relation est indépendante de la position du clapet, en amont ou en aval de l'échangeur.


Son bilan énergétique peut s'écrire de manière équivalente :

Vjγ−1P˙𝒞=Q˙j+∑inm˙CpTu−∑outm˙CpTj.


Ces équations déterminent la distribution locale de la masse et l'évolution de la température une fois les débits hydrauliques connus.


4.4 Cas particulier à deux volumes cylindre-échangeur

Dans le cas particulier d'un cylindre et d'un échangeur thermique connectés à pression quasi uniforme, sans flux entrant ou sortant directement de l'échangeur, définissons le débit massique interne du cylindre vers l'échangeur comme positif.


Soit :

N=VHXP˙+(γ−1)(UA)HX(THX−THX,res).


Le débit interne est :

m˙int={NγRTcyl,N≥0(cyl→HX),NγRTHX,N<0(HX→cyl).


La température de l'échangeur thermique répond alors à :

T˙HX=THXPP˙−RTHX2PVHXm˙int.


Cette simplification ne doit pas être utilisée lorsqu'un flux externe entre ou sort directement de l'échangeur ; dans ce cas, les bilans généraux des §4.1 et §4.3 s'appliquent.


4.5 Cas particuliers de flux externe unique

Si un ensemble connecté à pression quasi-égale reçoit un seul flux externe m˙ext>0 à température amont Text :

P˙𝒞=γRTextm˙ext+(γ−1)Q˙𝒞−γP𝒞V˙𝒞V𝒞,

Avec :

M˙𝒞=m˙ext.


Si à l’inverse l'ensemble fournit un seul flux de sortie externe m˙ext>0 à partir d'un volume limite à la température Tout :

P˙𝒞=−γRToutm˙ext+(γ−1)Q˙𝒞−γP𝒞V˙𝒞V𝒞,

Avec :

M˙𝒞=−m˙ext.


Le lieu où le flux externe traverse la frontière de l'ensemble connecté modifie les masses et températures locales, mais pas l'équation de pressions cumulées une fois que l'ensemble 𝒞, le flux d'enthalpie aux limites, chaleur totale et débits volumiques sont spécifiés.


5. Fermeture hydraulique

5.1 Formulation générique

Toute liaison hydraulique est décrite par une loi générique :

m˙=Φ(Pu,Pd,Tu,𝒢,ℱ)

u et d désignent respectivement l'amont (upstream) et l'aval (downstream). L'enthalpie transportée est celle de l'amont :

H˙mass=m˙CpTu.

Pour une liaison bidirectionnelle, l'état amont est déterminé par le sens réel du gradient de pression. Pour un clapet, le débit inverse est interdit. Sur chacune des deux branches hydrauliques, le clapet peut être placé de part et d'autre de l'échangeur de chaleur ; la loi hydraulique doit donc prendre en compte les pressions immédiatement adjacentes à la position du clapet.

5.2 Fermeture de premier niveau par orifice compressible

Une première approximation consiste à employer une aire hydraulique effective :

(CdA)eff,

qui représente la facilité globale de passage du gaz dans la liaison réelle.

Avec :

r=PdPu,rcrit=(2γ+1)γ/(γ−1),

le débit non étranglé, pour r>rcrit, est :

m˙=(CdA)effPu2γRTu(γ−1)(r2/γ−r(γ+1)/γ).

Pour r≤rcrit :

m˙=(CdA)effPuγRTu(2γ+1)γ+12(γ−1).

Cette fermeture n'est pas l'essence du modèle : elle pourra être remplacée par une loi plus fidèle aux pertes de charge d'un échangeur réel, d'une conduite ou d'un clapet.

6. Cycle thermodynamique complet

Le cycle est décrit par quatre régimes cinématiques et thermodynamiques successifs : compression, transfert à travers Ho , expansion et transfert à travers Hi. Ces phases décrivent l'évolution dominante de la machine ; elles ne sont pas définies par l'état des clapets. L'ouverture et la fermeture des clapets restent déterminées indépendamment par les différences de pression instantanées et peuvent se produire au sein d'une même phase plutôt qu'exactement à ses limites.


La numérotation ci-dessous suit le sens de réfrigération ω>0. Le fonctionnement moteur utilise la même machine physique avec un sens de rotation inversé et est décrit au §6.6.


6.1 Justification thermodynamique des quatre phases

6.1.1 Compression et détente

Compression et la détente sont principalement des phases de variation de pression. Dans la cinématique voulue, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément lors de la compression et augmenter simultanément lors de la détente.


Le travail instantané fourni par le gaz est :

W˙=PSV˙S+PLV˙L.


Lorsque les pressions dans les deux cylindres sont du même ordre de grandeur, les contributions des deux pistons s’additionnent lors d’une détente simultanée et participent toutes deux au travail nécessaire lors d’une compression simultanée. Cela permet aux volumes balayés des deux cylindres de contribuer aux phases du cycle au cours desquelles la pression varie.


Dans un cycle de référence réversible idéal, la compression et la détente peuvent être considérées comme adiabatiques et réversibles. Cette condition n'est pas imposée à la machine réelle. Les échangeurs restent thermiquement couplés au gaz, la redistribution de masse peut se poursuivre et les clapets ne sont pas nécessairement fermés pendant toute la phase de compression ou de détente.


6.1.2 Phases d'échange

Lors d'une phase d'échange, le gaz est transféré d'un cylindre à l'autre à travers un échangeur thermique. La résistance hydraulique exige une différence de pression finie pour produire un débit massique fini. Cette différence de pression est intrinsèquement irréversible.


Pour la contribution des pertes hydrauliques idéalisée localement comme un processus d'étranglement adiabatique et isenthalpique d'un gaz parfait calorifiquement parfait :

hu=hd⇒Tu=Td,

et donc :

Δshyd=Rln⁡(PuPd)>0forPu>Pd.


La limite réversible est donc :

Pu−Pd→0.


Les phases d'échange tendent donc idéalement vers un fonctionnement quasi-isobare. Une machine réelle de dimensions finies conserve une différence de pression finie car un débit fini doit traverser les résistances hydrauliques.


L'égalisation de pression entre des volumes communicants à un instant donné n'implique pas, en soi, que leur pression commune reste constante tout au long de l'échange. Soit 𝒞 un ensemble fermé de volumes de gaz communicants qui sont approximativement à la même pression P. Pour un gaz parfait :

M𝒞=PR∑j∈𝒞VjTj,

et donc :

P=M𝒞R∑j∈𝒞Vj/Tj.


À masse constante, une transformation parfaitement isobare nécessite :

ddt(∑j∈𝒞VjTj)=0.


Les mouvements des pistons et l'évolution de la température doivent donc se compenser. Des variations de volume égales dans les cylindres ne sont ni requises ni généralement attendues.


La même condition peut être exprimée par le biais du bilan énergétique. Pour un ensemble quasi-égalisé en pression :

U𝒞=PV𝒞γ−1,V𝒞=∑j∈𝒞Vj.


Son équilibre selon la première loi donne :

V𝒞P˙=(γ−1)Q˙𝒞−γPV˙𝒞.


Un échange approximativement isobare satisfait donc :

γPV˙𝒞≈(γ−1)Q˙𝒞.


L'évolution du volume imposée par les pistons peut ainsi compenser la dilatation ou la contraction thermique produite par le transfert de chaleur, permettant un transfert de masse substantiel tandis que la pression commune reste quasiment constante.


Une relation de premier ordre utile au dimensionnement des cylindres découle de la même condition. Sur une portion suffisamment petite d'un échange isobare, si les températures du donneur et du récepteur peuvent être considérées comme localement constantes, et si les termes de stockage de température des volumes fixes de l'échangeur sont secondaires, alors :

dVrTr≈−dVdTd,

D'où :

dVr−dVd≈TrTd.


Le côté le plus chaud nécessite donc un changement de volume plus important pour une même masse de gaz transférée à pression égale. Lorsque l'échange utilise des fractions comparables des courses des cylindre et que les températures des gaz restent proches des températures de fonctionnement caractéristiques Th et Tc, on obtient un premier ordre de dimensionnement géométrique :

Vswept,hVswept,c∼ThTc.


Les températures sont exprimées en Kelvins. Cette relation est un guide de dimensionnement, et non une contrainte de conception absolue : la restriction dans les échangeurs, les volumes morts, l’évolution de la température pendant l’échange, les pertes de charge finies, ainsi que les phases de compression et de détente peuvent tous modifier l’optimum. Lorsque ces effets sont significatifs, la condition complète impliquant ∑Vj/Tj doit être utilisée.


Ces relations expliquent pourquoi un échangeur à faibles pertes tend naturellement vers de faibles différences de pression le long du circuit hydraulique et, avec une cinématique de pistons appropriée, vers une pression quasi constante tout au long de l'échange. L’isobare stricte n'est pas imposé comme contrainte thermodynamique.


6.1.3 Équations d'équilibre valides tout au long du cycle

Les quatre volumes de contrôle sont S , Hi , L , et Ho. Débits massiques signés :

m˙Si:S→Hi,m˙iL:Hi→L,

m˙Lo:L→Ho,m˙oS:Ho→S.


Les sens positifs correspondent aux sens de circulation permanents des deux branches :

S→Hi→L,L→Ho→S.


Chaque branche comporte un clapet passif. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un choix de conception :

S→CVi→Hi→LorS→Hi→CVi→L,

L→CVo→Ho→SorL→Ho→CVo→S.


Le clapet contraint la liaison sur laquelle il est installé ; l'autre liaison peut être bidirectionnelle selon sa loi hydraulique.


Soit H˙ab le transport d'enthalpie signé à partir du volume a vers le volume b. Pour un gaz calorifiquement parfait :

H˙ab={m˙abCpTa,m˙ab≥0,m˙abCpTb,m˙ab<0.


Les bilans massiques sont alors :

m˙S=m˙oS−m˙Si,

m˙i=m˙Si−m˙iL,

m˙L=m˙iL−m˙Lo,

m˙o=m˙Lo−m˙oS.


Les bilans énergétiques correspondants sont :

U˙S=H˙oS−H˙Si−PSV˙S,

U˙i=H˙Si−H˙iL+Q˙i,

U˙L=H˙iL−H˙Lo−PLV˙L,

U˙o=H˙Lo−H˙oS+Q˙o.


Ces équations sont valables durant les quatre phases. La phase détermine le mouvement prescrit du piston et le processus thermodynamique dominant ; les lois hydrauliques et les différences de pression déterminent les débits réels et l’état des clapets.


6.2 Phase I — compression

Pendant la compression, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément :

V˙S<0,V˙L<0

sur la partie principale de la phase.


La pression augmente de la zone d’échange basse pression vers la zone d’échange haute pression. Les deux pistons peuvent contribuer au travail de compression.


Aucune topologie à paires fermées n'est imposée. Un clapet peut rester ouvert pendant une partie de la compression, et le gaz peut continuer à circuler. En particulier, un cylindre approchant son volume minimal peut transférer son gaz restant vers l'autre cylindre. Le transfert de chaleur à travers Hi et Ho continue également.


L'évolution réelle est donc calculée à partir des bilans complets du §6.1.3. La compression adiabatique est juste la limite de référence réversible décrite au §6.1.1.


La fin de la phase de compression est définie par la loi cinématique prescrite, et non par un événement de clapet.


6.3 Phase II — échange via Ho : L → Ho → S

La circulation dominante est :

L→Ho→S.


Le gaz sort du grand cylindre, traverse l’échangeur Ho et entre dans le petit cylindre. Le clapet passif CVo peut se situer avant ou après Ho ; dans les deux cas, il impose la même sens net dans la branche.


Pendant l'échange, L agit principalement en tant que donneur et S en tant que récepteur. Leurs variations de volume n'ont pas nécessairement la même amplitude. À la limite quasi-isobare, leur rapport du premier ordre suit la relation de température établie au §6.1.2.


L'échangeur Ho extrait de la chaleur du gaz :

Q˙o<0

dans le régime de fonctionnement prévu.


L'échange idéal tend vers de faibles différences de pression le long du trajet et une pression approximativement constante sur la phase. Les différences de pression réelles finies nécessaires à l'écoulement sont déterminées par la fermeture hydraulique du §5.


L'état de l'autre clapet et de tout flux de redistribution secondaire sont déterminés par les pressions instantanées ; ils ne sont pas prescrits par la définition de la phase.


6.4 Phase III — détente

Lors de la détente, les volumes des deux cylindres peuvent augmenter simultanément :

V˙S>0,V˙L>0

sur la partie principale de la phase.


La pression diminue de la zone d’échange haute pression vers la zone d’échange basse pression. Les deux pistons peuvent alors contribuer simultanément au travail fourni par le gaz.


Comme lors de la compression, aucune condition de débit nul ou de clapet fermé n'est imposée. La redistribution de masse peut se poursuivre et les deux échangeurs thermiques restent actifs. Les bilans complets du paragraphe 6.1.3 restent applicables.


La détente adiabatique est la limite de référence réversible, pas une condition de fonctionnement requise de la machine réelle.


La fin de la phase de détente est déterminée par la loi cinématique prescrite, indépendamment des événements de clapets.


6.5 Phase IV — échange via Hi : S → Hi → L

La circulation dominante est :

S→Hi→L.


Le gaz quitte le petit cylindre, traverse l’échangeur Hi et pénètre le grand cylindre. Le clapet CVi peut se situer avant ou après Hi ; les deux configurations imposent le même sens net dans la branche.


Pendant l'échange, S agit principalement en tant que donneur et L en tant que récepteur. Leurs variations de volume requises dépendent des températures du gaz de part et d'autre, conformément aux relations du §6.1.2.


L'échangeur Hi fournit de la chaleur au gaz :

Q˙i>0

dans le régime de fonctionnement prévu.


Comme dans la phase II, l'échange idéal tend vers un fonctionnement quasi-égalisé en pression et approximativement isobare, alors que le débit massique réel nécessite des différences de pression hydraulique finies.


Après cette phase, la cinématique prescrite revient à la phase de compression et la séquence se répète. La fermeture thermodynamique exige néanmoins que le vecteur d'état complet, et non seulement la géométrie du piston, soit périodique.


6.6 Fonctionnement moteur

Aucun second ensemble d'équations de masse, d'énergie, de transfert de chaleur ou hydrauliques n'est nécessaire au fonctionnement moteur.


Le sens des branches reste :

S→Hi→L,L→Ho→S,

et les positions et orientations des deux clapets restent inchangées.


Le fonctionnement moteur est obtenu en inversant le sens de rotation de la manivelle :

ω<0,

et en échangeant les réservoirs externes reliés aux échangeurs thermiques :

Ti,res=Thot,To,res=Tcold.


Le cycle géométrique est donc parcouru en sens inverse. Les historiques de pression, les débits massiques, les événements des clapets et l'état thermodynamique périodique doivent tous être recalculés ; la chronologie des évènements de clapets en fonctionnement frigorifique n'est pas conservée.


Dans le fonctionnement frigorifique prévu, le transfert L→Ho→S se produit du côté haute pression du cycle, tandis que le transfert S→Hi→L s'effectue du côté basse pression.

Dans le fonctionnement moteur, l'inversion du sens de rotation de la manivelle inverse ces rôles de pression : L→Ho→S devient l'échange à basse pression, tandis que S→Hi→L devient l'échange haute pression.

Les fonctions thermiques physiques des échangeurs restent inchangées : Hi amène toujours de la chaleur au gaz et Ho extrait toujours de la chaleur du gaz.


L'échangeur Hi absorbe la chaleur du réservoir chaud :

Qi>0,

L'échangeur Ho rejette de la chaleur vers le réservoir froid :

Qo<0,

et le fonctionnement moteur est obtenu lorsque :

Wcycle>0.

7. Transitions physiques des clapets

Pour un clapet orienté de l'amont u vers l'aval d :

Pu−Pd≥ΔPopen⇒opening,

Pu−Pd≤ΔPclose⇒closing,

avec, en présence d'hystérésis :

ΔPclose≤ΔPopen.

Une ouverture ou fermeture de clapet modifie le débit hydraulique admissible dans la branche ; elle ne définit pas de limite de phase et ne provoque aucun saut instantané de l'état thermodynamique. Pour chaque volume :

mj+=mj−,Uj+=Uj−,Vj+=Vj−.

Pour le gaz parfait :

Tj+=Tj−,Pj+=Pj−.

Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.

Les valeurs Λ∗ servent de cibles de conception cinématique ; les valeurs réellement observées lors des évènements de clapet sont Λreal=Λ(tevent).

Les deux clapets passifs ont des orientations de branche permanentes : l’un permet la circulation le long de L→Ho→S , l'autre le long S→Hi→L .

Chaque clapet peut être installé en amont ou en aval de son échangeur thermique. Ses conditions d'ouverture et de fermeture dépendent donc des pressions immédiatement adjacentes à sa position.

Leurs conditions d’ouverture et de fermeture sont identiques dans les deux modes de fonctionnement. Seule l’historique des pressions change en raison de la cinématique inversée de la manivelle en fonctionnement moteur.

8. Travail, chaleur et performance

Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases à partir des pressions dans les cylindres :

W˙=PSV˙S+PLV˙L.

Le travail net du cycle est :

Wcycle=∫0τ(PSV˙S+PLV˙L)dt.


Lorsque les pressions des deux cylindres sont comparables pendant une phase de changement de pression,

W˙≈P(V˙S+V˙L).

Si les deux cylindres se ferment lors de la compression, ou s'ils s’ouvrent lors de la détente, leurs contributions respectives s'additionnent au lieu de s'annuler partiellement. Cela rend une plus grande fraction du volume balayé disponible pour participer à la compression et à la détente, pour une courbe de pression comparable. Ceci ne prouve pas en soi un rendement thermique supérieur, car les transferts de chaleur et la courbe de pression qui en résultent évoluent également.

Les chaleurs échangées sont :

Qi=∫0τ(UA)i(Ti,res−Ti)dt,

Qo=∫0τ(UA)o(To,res−To)dt.

En régime périodique :

ΔUcycle=0,

et le premier principe donne :

Qi+Qo=Wcycle.

Le COP frigorifique est :

COPc=Qi−Wcycle.

Le COP en pompe à chaleur est :

COPh=−Qo−Wcycle=COPc+1.

Les signes Qi>0, Qo<0 et Wcycle<0 constituent des contrôles du régime frigorifique recherché.

Pour le cycle moteur :

Qi>0,Qo<0,Wcycle>0.

Le rendement thermique est :

ηth=WcycleQi=1+QoQi.

La puissance thermodynamique moyenne du moteur est :

W˙‾=Wcycleτ.


La force thermodynamique exercée par le gaz sur une face de piston peut être écrite Fgas=PS. La force mécanique nette, les inerties et les frottements relèvent du dimensionnement mécanique ultérieur.

9. Charge de gaz et régime périodique

La quantité totale de gaz enfermée est un paramètre physique :

Mtot=mS+mL+mi+mo=const.

Elle peut être imposée directement ou définie expérimentalement par une pression et une température de charge. La configuration de référence choisie est celle de t=0, avec le grand cylindre au volume maximal. Si tous les volumes communiquent et sont en équilibre uniforme pendant le remplissage :

Mtot=Pcharge[VS(0)+VL,max+Vi+Vo]RTcharge.

Pcharge et Tcharge définissent la quantité de gaz chargée ; ils ne constituent pas une condition que le cycle périodique doit retrouver.

Le régime périodique établi est une solution du système telle que, entre deux passages successifs au volume maximal du grand cylindre avec la même direction cinématique :

𝐗(t+τ)=𝐗(t).

La périodicité géométrique seule :

Vk(t+τ)=Vk(t),k∈{S,L}.

ne suffit pas à garantir la périodicité thermodynamique.

L'état numérique utilisé pour lancer un calcul peut être approximatif ; il ne doit pas être confondu avec un paramètre physique de la machine. Le futur solveur pourra rechercher le point fixe périodique par cycles successifs, méthode de tir ou méthode de Newton.

10. Paramètres, données de conception et résultats

10.1 Données imposées

  • mode de fonctionnement ;
  • températures des réservoirs Tcold et Thot ;
  • vitesses angulaire signée de la manivelle ω.
  • fluide de travail et propriétés de référence R, Cp, Cv, γ ;
  • charge totale Mtot, ou équivalent (Pcharge,Tcharge) dans la configuration de remplissage définie au §9 ;
  • cinématique VS(t), VL(t).

10.2 Paramètres de conception

  • VS,min, VS,max, VL,min, VL,max ;
  • Vi, Vo ;
  • (UA)i, (UA)o ;
  • paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par (CdA)eff ;
  • seuils ΔPopen, ΔPclose ;
  • position amont ou aval de chaque clapet relativement à son échangeur thermique ;
  • cibles cinématiques ΛL∗, ΛS∗.

10.3 Variables et résultats calculés

  • mj,Uj,Tj,Pj,j∈{S,L,i,o} ;
  • débits massiques internes et externes ;
  • Q˙i, Q˙o, Qi, Qo ;
  • Wcycle, COPc, COPh ;
  • ηth en fonctionnement moteur ;
  • extrema de pression, température et débit ;
  • événements réels des clapets et Λreal ;
  • critères de validité εP, Ma, Z et variation des propriétés.

11. Contrôles globaux de conservation

11.1 Conservation de la masse

Le solveur doit satisfaire :

dMtotdt=0.

Un résidu numérique utile est :

εM(t)=Mtot(t)−Mtot(0).

11.2 Conservation globale de l'énergie

Quelle que soit la phase, les flux massiques et enthalpiques internes doivent s'annuler lorsque les bilans de tous les volumes sont additionnés. Le bilan global doit se réduire à :

dUtotdt=Q˙i+Q˙o−PSV˙S−PLV˙L.

Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :

εE(t)=Utot(t)−Utot(0)−Qi(0,t)−Qo(0,t)+W(0,t).

Sur un cycle périodique :

Qi+Qo=Wcycle.

Le solveur doit maintenir εM et εE proches de zéro à la précision numérique attendue.


Annexe A — Dérivations symboliques et contrôles validés

A.1 Équation de pression d'une paire fermée

Pour une paire cylindre + échangeur à pression quasi uniforme :

U=P(Vcyl+VHX)γ−1.

Le premier principe donne :

dUdt=Q˙−PV˙cyl,

avec :

Q˙=(UA)HX(THX,res−THX).

En dérivant U :

1γ−1[(Vcyl+VHX)P˙+PV˙cyl]=Q˙−PV˙cyl.

D'où :

P˙=(γ−1)Q˙−γPV˙cylVcyl+VHX.

Si Q˙=0 :

P˙P=−γV˙V,

puis :

PVγ=const.

A.2 Débit interne de la paire

Pour l'échangeur seul, volume fixe :

UHX=PVHXγ−1.

Donc :

VHXγ−1P˙=(UA)HX(THX,res−THX)+m˙intCpTup.

En utilisant Cp=γR/(γ−1) :

VHXP˙+(γ−1)(UA)HX(THX−THX,res)=γRTupm˙int.

On retrouve la définition du numérateur N et la sélection de la température amont selon le signe du débit.

A.3 Évolution de la température de l'échangeur dans une paire

Pour un volume fixe :

mHX=PVHXRTHX.


En dérivant :

m˙HXmHX=P˙P−T˙HXTHX.


Avec m˙HX=m˙int :

T˙HX=THXPP˙−RTHX2PVHXm˙int.


Cette relation découle uniquement de la conservation de masse et de l'équation d'état ; elle est valable pour les deux sens de débit.

A.4 Paire ouverte quasi-égalisée en pression

Pour une paire recevant m˙ext à travers sa frontière extérieure :

dUdt=m˙extCpText+Q˙−PV˙cyl.


Avec U=P(Vcyl+VHX)/(γ−1) :

P˙=γRTextm˙ext+(γ−1)Q˙−γPV˙cylVcyl+VHX.

Si le flux extérieur pénètre dans le cylindre et m˙int est positif du cylindre vers l'échangeur thermique :

m˙cyl=m˙ext−m˙int,

m˙HX=m˙int.

Si, en revanche, le flux externe entre en premier dans l'échangeur thermique :

m˙cyl=−m˙int,m˙HX=m˙ext+m˙int.

Dans les deux cas :

m˙pair=m˙ext.

A.5 Solution analytique du cylindre donneur adiabatique

Pour un cylindre adiabatique, bien mélangé, avec débit uniquement sortant :


d(mCvT)dt=−PV˙−m˙outCpT,

et :

m˙=−m˙out.

En développant :

CvmT˙+CvTm˙=−PV˙+CpTm˙,

soit :

CvmT˙=−PV˙+RTm˙.

Avec P=mRT/V et R/Cv=γ−1 :

dTT=(γ−1)(dmm−dVV).

Après intégration :

TT0=[mm0V0V]γ−1.

Puis, avec PV=mRT :

P=P0[mm0V0V]γ.

et :

TT0=(PP0)(γ−1)/γ.

Sous ces hypothèses, l'entropie spécifique du gaz restant est constante : ds=0. L'entropie totale du contenu du cylindre n'est pas constante puisque sa masse varie.

A.6 Échangeur actif : bilan développé

Bilan fondamental :

d(mCvT)dt=m˙inCpTin−m˙outCpT+Q˙.

En développant le membre de gauche et en utilisant :

m˙=m˙in−m˙out,

on obtient :

T˙=m˙in(CpTin−CvT)−m˙outRT+Q˙Cvm.

Contrôles limites :

  • sans débit, l'équation redonne la relaxation thermique d'un volume fermé ;
  • à débit stationnaire égal entrant/sortant, elle redonne mCvT˙=m˙Cp(Tin−T)+Q˙ ;
  • si Tin=T et m˙in=m˙out, la contribution nette du débit à T˙ s'annule.

A.7 Test de masse global

Utilisation des flux signés définis au §6 :

m˙S=−m˙Si+m˙oS,

m˙L=m˙iL−m˙Lo,

m˙i=m˙Si−m˙iL,

m˙o=m˙Lo−m˙oS.


La somme des quatre équations annule exactement tout flux de masse interne :

M˙tot=0.


Ce résultat est indépendant de la phase active, du sens d'écoulement sur les liaisons bidirectionnelles, et de la position des deux clapets.


A.8 Test énergétique global

En utilisant les flux d'enthalpie signés définis au §6 :

U˙S=−PSV˙S−H˙Si+H˙oS,

U˙L=−PLV˙L+H˙iL−H˙Lo,

U˙i=H˙Si−H˙iL+Q˙i,

U˙o=H˙Lo−H˙oS+Q˙o.


Tous les flux d'enthalpie internes s'annulent exactement lorsque les quatre bilans sont additionnés :

U˙tot=Q˙i+Q˙o−PSV˙S−PLV˙L.


Intégré sur une période :

Qi+Qo=Wcycle.


A.9 Continuité aux transitions

À l'instant d'un événement de clapet, aucune masse ni énergie finie ne peut être transférée en un temps nul. Les variables conservées et la géométrie sont donc continues :

j∈{S,L,i,o}

mj+=mj−,Uj+=Uj−,Vj+=Vj−.

Avec le gaz parfait :

Tj=UjmjCv,Pj=mjRTjVj,

ce qui implique :

Tj+=Tj−,Pj+=Pj−.

L’événement modifie uniquement le débit hydraulique admissible sur la liaison du clapet ; l'état thermodynamique reste continu.