Thermodynamic and Mechanical Study/fr: Difference between revisions

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== 1. Périmètre et méthode ==
== 1. Périmètre et méthode ==


Cette étude décrit le cycle récepteur complet de la machine Dada sous forme symbolique. 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.
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 :
L'origine du cycle est fixée au volume maximal du grand cylindre, avec :
Line 10: Line 10:
Les quatre volumes de gaz sont :
Les quatre volumes de gaz sont :


* <code>S</code> : petit cylindre, directement associé à l'échangeur froid <code>C</code> ;
* <math display="inline">S</math> : petit cylindre ;
* <code>L</code> : grand cylindre, directement associé à l'échangeur chaud <code>H</code> ;
* <math display="inline">L</math> : grand cylindre ;
* <code>C</code> : échangeur thermique froid, qui prélève de la chaleur au réservoir froid ;
* <math display="inline">H_i</math> : échangeur thermique "Heat-in", situé sur le chemin hydraulique <math display="inline">S \to L</math> et qui apporte de la chaleur au gaz ;
* <code>H</code> : échangeur thermique chaud, qui rejette de la chaleur vers le réservoir chaud.
* <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.


Les clapets autorisent <code>H → S</code> pendant la Phase II et <code>C → L</code> pendant la Phase IV.
Les deux branches hydrauliques ont des sens de circulation fixes :


Le cycle comporte quatre phases :
<math>S\to H_i\to L,</math>


* '''Phase I''' — clapets fermés, nominalement adiabatique : compression côté <code>L+H</code> ;
<math>L\to H_o\to S.</math>
* '''Phase II''' — échange thermique, nominalement isotherme : transfert <code>L → H → S</code>, avec rejet de chaleur côté chaud ;
 
* '''Phase III''' — clapets fermés, nominalement adiabatique : détente côté <code>S+C</code> ;
 
* '''Phase IV''' — échange thermique, nominalement isotherme : transfert <code>S → C → L</code>, avec prélèvement de chaleur côté froid.
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 :
 
<math>S\to \mathrm{CV}_i\to H_i\to L,</math>
 
ou :
 
<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 47: Line 79:
=== 2.1 Géométrie et cinématique ===
=== 2.1 Géométrie et cinématique ===


Pour <math display="inline">i\in\{S,L\}</math> :
Pour <math display="inline">k\in\{S,L\}</math> :


<math>V_{i,\min}>0,\qquad V_{i,\max}>V_{i,\min}.</math>
<math>V_{k,\min}>0,\qquad V_{k,\max}>V_{k,\min}.</math>


Le volume balayé est :
Le volume balayé est :


<math>V_{i,\mathrm{swept}}=V_{i,\max}-V_{i,\min}.</math>
<math>V_{k,\mathrm{swept}}=V_{k,\max}-V_{k,\min}.</math>


Les volumes thermodynamiques imposés par la mécanique sont :
Les volumes thermodynamiques imposés par la mécanique sont :
Line 63: Line 95:
<math>\dot V_S=\frac{dV_S}{dt},\qquad \dot V_L=\frac{dV_L}{dt}.</math>
<math>\dot V_S=\frac{dV_S}{dt},\qquad \dot V_L=\frac{dV_L}{dt}.</math>


Si la manivelle tourne à vitesse constante <math display="inline">\omega</math> :
La vitesse angulaire de la manivelle est signée :
 
<math>\theta(t)=\omega t,\qquad
\dot V_k=\omega\frac{dV_k}{d\theta},
\qquad k\in\{S,L\}.</math>
 
Le sens récepteur en réfrigération est défini comme positif :
 
<math>\omega>0.</math>
 
Le fonctionnement moteur utilise la direction de manivelle opposée :
 
<math>\omega<0.</math>
 
L’origine géométrique est identique dans les deux modes :


<math>\theta(t)=\omega t,\qquad \dot V_i=\omega\frac{dV_i}{d\theta}.</math>
<math>t=0,\qquad \theta(0)=0,\qquad V_L(0)=V_{L,\max}.</math>


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


<math>\nu_{V,i}=|\dot V_i|.</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 78: Line 122:
Pour décrire la fermeture normalisée d'un cylindre :
Pour décrire la fermeture normalisée d'un cylindre :


<math>\Lambda_i(t)=\frac{V_{i,\max}-V_i(t)}{V_{i,\max}-V_{i,\min}},\qquad i\in\{S,L\}.</math>
<math>\Lambda_k(t)=\frac{V_{k,\max}-V_k(t)}{V_{k,\max}-V_{k,\min}},\qquad k\in\{S,L\}.</math>


Ainsi <math display="inline">\Lambda_i=0</math> correspond au volume maximal et <math display="inline">\Lambda_i=1</math> au volume minimal. Les valeurs <math display="inline">\Lambda_L^*</math> et <math display="inline">\Lambda_S^*</math> sont des cibles cinématiques nominales aux transitions. La valeur réellement atteinte lors d'un événement de clapet est :
Ainsi <math display="inline">\Lambda_k=0</math> correspond au volume maximal et <math display="inline">\Lambda_k=1</math> au volume minimal. Les valeurs <math display="inline">\Lambda_L^*</math> et <math display="inline">\Lambda_S^*</math> sont des cibles cinématiques nominales aux transitions. La valeur réellement atteinte lors d'un événement de clapet est :


<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>
=== 2.3 Variables thermodynamiques ===
=== 2.3 Variables thermodynamiques ===


Pour chaque volume <math display="inline">i\in\{S,L,C,H\}</math> :
Pour chaque volume <math display="inline">j\in\{S,L,C,H\}</math> :


<math>m_i,\qquad U_i,\qquad T_i,\qquad P_i,\qquad V_i.</math>
<math>m_j,\qquad U_j,\qquad T_j,\qquad P_j,\qquad V_j.</math>
 
Les indices <math display="inline">i</math> et <math display="inline">o</math> dénotent respectivement le gaz contenu dans <math display="inline">H_i</math> et <math display="inline">H_o</math>.


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


<math>\mathbf X=(m_S,U_S,m_L,U_L,m_C,U_C,m_H,U_H).</math>
<math>\mathbf X=(m_S,U_S,m_L,U_L,m_i,U_i,m_o,U_o).</math>


Les températures et pressions en sont déduites :
Les températures et pressions en sont déduites :


<math>T_i=\frac{U_i}{m_iC_v},\qquad P_i=\frac{m_iRT_i}{V_i}.</math>
<math>T_j=\frac{U_j}{m_jC_v},\qquad
P_j=\frac{m_jRT_j}{V_j}.</math>


Les volumes <math display="inline">V_S(t)</math> et <math display="inline">V_L(t)</math> sont imposés par la cinématique et ne sont pas des variables d'état thermodynamiques indépendantes. Les volumes <math display="inline">V_C</math> et <math display="inline">V_H</math> sont constants.
Les volumes <math display="inline">V_S(t)</math> et <math display="inline">V_L(t)</math> sont imposés par la cinématique et ne sont pas des variables d'état thermodynamiques indépendantes. Les volumes <math display="inline">V_i</math> et <math display="inline">V_o</math> sont constants.


<span id="2.4_Energy_sign_convention"></span>
<span id="2.4_Energy_sign_convention"></span>
Line 110: Line 157:
<math>\dot W=P\dot V.</math>
<math>\dot W=P\dot V.</math>


En fonctionnement frigorifique recherché :
Par définition des deux échangeurs thermiques physiques :


<math>Q_C>0,\qquad Q_H<0,\qquad W_{\mathrm{cycle}}<0.</math>
<math>Q_i>0,\qquad Q_o<0</math>
 
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 :
 
<math>W_{\mathrm{cycle}}<0</math>
 
pour le mode récepteur en réfrigération, alors que :
 
<math>W_{\mathrm{cycle}}>0</math>
 
pour le mode moteur.


<span id="3._Thermal_closure_and_validity_domain"></span>
<span id="3._Thermal_closure_and_validity_domain"></span>
Line 120: Line 179:
=== 3.1 Échange avec les réservoirs thermiques ===
=== 3.1 Échange avec les réservoirs thermiques ===


Pour un échangeur <math display="inline">HX\in\{C,H\}</math> :
Pour l’échangeur "heat-in" :
 
<math>\dot Q_i=(UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i).</math>
 
Dans les conditions de fonctionnement prévues :
 
<math>T_i<T_{i,\mathrm{res}}
\quad\Rightarrow\quad
\dot Q_i>0.</math>


<math>\dot Q_{HX}=(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX}).</math>
Pour l’échangeur "heat-out" :


<math display="inline">T_{HX,\mathrm{res}}</math> est la température du réservoir thermique externe, imposée et constante dans le modèle de base. <math display="inline">T_{HX}</math> est la température moyenne 0D du gaz dans l'échangeur. <math display="inline">(UA)_{HX}</math> représente la conductance thermique globale, qui peut regrouper convection, conduction de paroi et résistances de contact.
<math>\dot Q_o=(UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o).</math>


Côté froid :
Dans les conditions de fonctionnement prévues :


<math>\dot Q_C=(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C).</math>
<math>T_o>T_{o,\mathrm{res}}
\quad\Rightarrow\quad
\dot Q_o<0.</math>


En fonctionnement frigorifique, <math display="inline">T_C<T_{C,\mathrm{res}}</math> donne <math display="inline">\dot Q_C>0</math>.
Les températures des réservoirs dépendent du mode de fonctionnement


Côté chaud :
En mode réfrigération :


<math>\dot Q_H=(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H).</math>
<math>T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}},\qquad
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}}.</math>


En fonctionnement frigorifique, <math display="inline">T_H>T_{H,\mathrm{res}}</math> donne <math display="inline">\dot Q_H<0</math>.
En mode moteur :


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.
<math>T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},\qquad
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.</math>


Un indicateur de qualité d'isothermie peut être défini sur une phase donnée par :
Ainsi les équations de transfert thermique sont identiques dans les deux modes.


<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 161: Line 231:
<math>\varepsilon_{C_p}=\frac{C_{p,\max}-C_{p,\min}}{C_{p,\mathrm{ref}}}\ll1.</math>
<math>\varepsilon_{C_p}=\frac{C_{p,\max}-C_{p,\min}}{C_{p,\mathrm{ref}}}\ll1.</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le fluide doit rester monophasique gazeux et suffisamment éloigné de toute condensation ou transition de phase dans l'ensemble du domaine <math display="inline">(P,T)</math> parcouru.
The working fluid must remain single-phase and gaseous, and sufficiently far from any condensation or phase transition throughout the <math display="inline">(P,T)</math> domain traversed.
 
</div>
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_formulations_for_quasi-pressure-equalized_connected_volumes"></span>
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 <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>
 
 
Un faible nombre de Mach interne constitue un contrôle complémentaire :
 
<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.
 
 
<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 :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
If these criteria become insufficient, an extension may use <math display="inline">Z(P,T)</math>, <math display="inline">C_p(T)</math>, <math display="inline">C_v(T)</math>, or a real-gas equation of state without changing the general architecture of the mass and energy balances.
\frac{dU_{\mathcal C}}{dt}
</div>
=
\dot Q_{\mathcal C}
+
\dot H_{\mathcal C}^{\mathrm{ext}}
-
P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}.
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
== 4. Reduced formulation of a quasi-pressure-equalized pair ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Et donc :
When a cylinder and its heat exchanger are connected by a very low-resistance internal path, the approximation
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>P_{\mathrm{cyl}}\approx P_{HX}=P_{\mathrm{pair}}.</math>
\dot P_{\mathcal C}
</div>
=
\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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
may be used. It is acceptable if:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La masse totale de l'ensemble satisfait la condition suivante :
<math>\varepsilon_P=\frac{|\Delta P_{\mathrm{int}}|}{P_{\mathrm{pair}}}\ll1,\qquad \Delta P_{\mathrm{int}}=P_{\mathrm{cyl}}-P_{HX}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
A low internal Mach number provides an additional check:
\dot M_{\mathcal C}
</div>
=
\sum_{\mathrm{in}}\dot m
-
\sum_{\mathrm{out}}\dot m.
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Ma_{\mathrm{int}}=\frac{|u_{\mathrm{int}}|}{a}\ll1,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les transferts internes de masse et d'enthalpie entre les membres de <math display="inline">\mathcal C</math> s’annulent sur ces bilans globaux.
but it is not sufficient on its own to guarantee pressure equalization.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 4.1 Closed-pair case ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="4.2_Closed_connected_set"></span>
For a closed pair, with fixed <math display="inline">V_{HX}</math> and <math display="inline">V=V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}</math>:
=== 4.2 Ensemble fermé et connecté ===
</div>
 
 
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 :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{dP}{dt}=
\dot P_{\mathcal C}
\frac{(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX})-\gamma P\dot V_{\mathrm{cyl}}}
=
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
\frac{
.</math>
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}
</div>
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}}.
</math>
 
 
Si l'ensemble est également adiabatique :
 
<math>
\dot Q_{\mathcal C}=0,
</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 ===


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
When <math display="inline">(UA)_{HX}=0</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 4.2 Internal redistribution flow rate ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Soit :
The internal flow rate is defined as positive from cylinder → heat exchanger. Let:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>N=V_{HX}\dot P+(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}}).</math>
N=
</div>
V_{HX}\dot P
+
(\gamma-1)(UA)_{HX}
(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}}).
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The flow carries the enthalpy of the upstream state:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The heat-exchanger temperature evolves according to:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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
</div>
-
\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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 4.3 Open receiving pair ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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> :
During an active phase, the external flow physically enters the '''receiving cylinder''', not directly its associated heat exchanger. If <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}>0</math> enters the cylinder at temperature <math display="inline">T_{\mathrm{ext}}</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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}
</div>
-
\gamma P_{\mathcal C}\dot V_{\mathcal C}
}
{V_{\mathcal C}},
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec :
The masses satisfy:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=\dot m_{\mathrm{ext}}-\dot m_{\mathrm{int}},\qquad
\dot M_{\mathcal C}
\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}},</math>
=
</div>
-\dot m_{\mathrm{ext}}.
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
and therefore:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The closed case is obtained immediately with <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}=0</math>.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="5._Hydraulic_closure"></span>
== 5. Hydraulic closure ==
== 5. Fermeture hydraulique ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="5.1_Generic_formulation"></span>
=== 5.1 Generic formulation ===
=== 5.1 Formulation générique ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Toute liaison hydraulique est décrite par une loi générique :
Any hydraulic connection is described by a generic law:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m=\Phi(P_u,P_d,T_u,\mathcal G,\mathcal F)</math>
<math>\dot m=\Phi(P_u,P_d,T_u,\mathcal G,\mathcal F)</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math display="inline">u</math> et <math display="inline">d</math> désignent respectivement l'amont (''upstream'') et l'aval (''downstream''). L'enthalpie transportée est celle de l'amont :
<math display="inline">u</math> and <math display="inline">d</math> respectively denote the upstream and downstream states. The transported enthalpy is that of the upstream state:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>
<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
For a bidirectional connection, the upstream state is determined by the actual direction of the pressure gradient. For a check valve, reverse flow is prohibited.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="5.2_First-level_closure_using_a_compressible_orifice"></span>
=== 5.2 First-level closure using a compressible orifice ===
=== 5.2 Fermeture de premier niveau par orifice compressible ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Une première approximation consiste à employer une aire hydraulique effective :
A first approximation consists in using an effective hydraulic area:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>(C_dA)_{\mathrm{eff}},</math>
<math>(C_dA)_{\mathrm{eff}},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
qui représente la facilité globale de passage du gaz dans la liaison réelle.
which represents the overall ease of gas flow through the actual connection.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec :
With:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>r=\frac{P_d}{P_u},\qquad
<math>r=\frac{P_d}{P_u},\qquad
r_{\mathrm{crit}}=\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\gamma/(\gamma-1)},</math>
r_{\mathrm{crit}}=\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\gamma/(\gamma-1)},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
le débit non étranglé, pour <math display="inline">r>r_{\mathrm{crit}}</math>, est :
the unchoked flow rate, for <math display="inline">r>r_{\mathrm{crit}}</math>, is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m=(C_dA)_{\mathrm{eff}}P_u
\dot m=(C_dA)_{\mathrm{eff}}P_u
Line 364: Line 609:
\left(r^{2/\gamma}-r^{(\gamma+1)/\gamma}\right)}
\left(r^{2/\gamma}-r^{(\gamma+1)/\gamma}\right)}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour <math display="inline">r\le r_{\mathrm{crit}}</math> :
For <math display="inline">r\le r_{\mathrm{crit}}</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m=(C_dA)_{\mathrm{eff}}P_u
\dot m=(C_dA)_{\mathrm{eff}}P_u
Line 376: Line 617:
\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\frac{\gamma+1}{2(\gamma-1)}}
\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\frac{\gamma+1}{2(\gamma-1)}}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
This closure is not essential to the model: it may later be replaced by a law that more faithfully represents the pressure losses of a real heat exchanger, pipe, or check valve.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6._Complete_thermodynamic_cycle"></span>
== 6. Complete thermodynamic cycle ==
== 6. Cycle thermodynamique complet ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 6.1 Phase I — check valves closed, nominally adiabatic: compression on the L side ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
Both check valves are closed. The <code>L+H</code> and <code>S+C</code> pairs are closed. The <code>L+H</code> side is nominally compressed; the motion of the small piston remains that provided by the actual kinematics.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For <code>L+H</code>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
<math>\dot P_{LH}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)-\gamma P_{LH}\dot V_L}
{V_L+V_H}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For <code>S+C</code>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1_Thermodynamic_rationale_of_the_four_phases"></span>
<math>\dot P_{SC}=
=== 6.1 Justification thermodynamique des quatre phases ===
\frac{(\gamma-1)(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)-\gamma P_{SC}\dot V_S}
{V_S+V_C}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The internal redistribution and temperature equations of §4 apply to both pairs.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1.1_Compression_and_expansion"></span>
The transition to Phase II occurs when the <code>H → S</code> check valve satisfies its opening condition.
==== 6.1.1 Compression et détente ====
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 6.2 Phase II — heat exchange, nominally isothermal: L → H → S ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The gas leaves <code>L</code>, passes through the hot heat exchanger <code>H</code>, where it rejects heat, crosses the <code>H → S</code> check valve, and then enters the receiving cylinder <code>S</code>. The <code>S+C</code> pair remains quasi-pressure-equalized if the criterion <math display="inline">\varepsilon_P\ll1</math> is satisfied.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==== 6.2.1 Donor cylinder L ====
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le travail instantané fourni par le gaz est :
The fundamental balance is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{d(m_LC_vT_L)}{dt}
\dot W=P_S\dot V_S+P_L\dot V_L.
=-P_L\dot V_L-\dot m_{L,\mathrm{out}}C_pT_L
</math>
.</math>
 
</div>
 
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.
 
 
<span id="6.1.2_Exchange_phases"></span>
==== 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 :
 
<math>
h_u=h_d
\quad\Rightarrow\quad
T_u=T_d,
</math>
 
et donc :
 
<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>
P_u-P_d\to0.
</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>
 
D'où :
 
<math>
\frac{dV_r}{-dV_d}
\approx
\frac{T_r}{T_d}
.
</math>
 
 
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>
 
\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 ====
 
 
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 :
 
<math>
\dot m_{Si}: S\to H_i,\qquad
\dot m_{iL}: H_i\to L,
</math>
 
<math>
\dot m_{Lo}: L\to H_o,\qquad
\dot m_{oS}: H_o\to S.
</math>
 
 
Les sens positifs correspondent aux sens de circulation permanents des deux branches :
 
<math>
S\to H_i\to L,
\qquad
L\to H_o\to S.
</math>
 
 
Chaque branche comporte un clapet passif. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un choix de conception :
 
<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>
L\to \mathrm{CV}_o\to H_o\to S
\quad\text{or}\quad
L\to H_o\to \mathrm{CV}_o\to S.
</math>
 
 
Le clapet contraint la liaison sur laquelle il est installé ; l'autre liaison peut être bidirectionnelle selon sa loi hydraulique.
 


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
The kinematics are designed to maintain an outflow from the donor cylinder. In this case, the analytical solution is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{ref}}}=
\dot H_{ab}=
\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{ref}}}\frac{V_{L,\mathrm{ref}}}{V_L}\right]^{\gamma-1}
\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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
and:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les bilans massiques sont alors :
 
<math>
\dot m_S=\dot m_{oS}-\dot m_{Si},
</math>
 
<math>
<math>
P_L=P_{L,\mathrm{ref}}
\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},
\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{ref}}}\frac{V_{L,\mathrm{ref}}}{V_L}\right]^\gamma
</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
One also obtains:
\dot m_L=\dot m_{iL}-\dot m_{Lo},
</div>
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{ref}}}=
\dot m_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.
\left(\frac{P_L}{P_{L,\mathrm{ref}}}\right)^{(\gamma-1)/\gamma},</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
and the specific entropy of the remaining gas satisfies <math display="inline">ds=0</math> under these assumptions. If reverse flow occurs despite the kinematic design, the analytical solution is no longer applicable and the complete open-system balance in <math display="inline">(m_L,U_L)</math> must be used.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les bilans énergétiques correspondants sont :
==== 6.2.2 Hot heat exchanger H ====
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
Mass conservation:
\dot U_S
</div>
=
\dot H_{oS}-\dot H_{Si}
-P_S\dot V_S,
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>\dot m_H=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
\dot U_i
</div>
=
\dot H_{Si}-\dot H_{iL}
+\dot Q_i,
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
Fundamental energy balance:
\dot U_L
</div>
=
\dot H_{iL}-\dot H_{Lo}
-P_L\dot V_L,
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{d(m_HC_vT_H)}{dt}
\dot U_o
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_L
=
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT_H
\dot H_{Lo}-\dot H_{oS}
+(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)
+\dot Q_o.
.</math>
</math>
</div>
 
 
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 ===
 


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pendant la compression, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément :
In expanded form:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot T_H=
\dot V_S<0,\qquad \dot V_L<0
\frac{\dot m_{\mathrm{in}}(C_pT_L-C_vT_H)
</math>
-\dot m_{\mathrm{out}}RT_H
 
+(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)}
sur la partie principale de la phase.
{C_vm_H}
 
.</math>
 
</div>
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.
 


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La fin de la phase de compression est définie par la loi cinématique prescrite, et non par un événement de clapet.
The flow rates are determined by the hydraulic laws:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_{\mathrm{in}}=\Phi_{\mathrm{HX,H}}(P_L,P_H,T_L,\ldots),</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.3_Phase_II_—_exchange_through_Ho:_L_→_Ho_→_S"></span>
<math>\dot m_{\mathrm{out}}=\Phi_{\mathrm{valve,H}}(P_H,P_{SC},T_H,\ldots).</math>
=== 6.3 Phase II — échange via Ho : L → Ho → S ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==== 6.2.3 Receiving pair S+C ====
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La circulation dominante est :
The flow from <code>H</code> enters '''S'''. The pair pressure satisfies:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot P_{SC}=
L\to H_o\to S.
\frac{\gamma R\dot m_{\mathrm{out}}T_H
</math>
+(\gamma-1)(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)
 
-\gamma P_{SC}\dot V_S}
 
{V_S+V_C}
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.
.</math>
 
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The internal redistribution equations of §4 remain unchanged: the external flow acts on heat exchanger <code>C</code> indirectly through the evolution of the pair pressure.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The transition to Phase III is the closing event of the <code>H → S</code> check valve.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_o</math> extrait de la chaleur du gaz :
=== 6.3 Phase III — check valves closed, nominally adiabatic: expansion on the S side ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
Both check valves are closed. The <code>S+C</code> pair expands nominally; the <code>L+H</code> pair also remains closed. Neither piston is assumed to be strictly stationary.
\dot Q_o<0
</div>
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
dans le régime de fonctionnement prévu.
For <code>S+C</code>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot P_{SC}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)-\gamma P_{SC}\dot V_S}
{V_S+V_C}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
For <code>L+H</code>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot P_{LH}=
\frac{(\gamma-1)(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)-\gamma P_{LH}\dot V_L}
{V_L+V_H}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The transition to Phase IV occurs when the <code>C → L</code> check valve satisfies its opening condition.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 6.4 Phase IV — heat exchange, nominally isothermal: S → C → L ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.4_Phase_III_—_expansion"></span>
The gas leaves <code>S</code>, passes through the cold heat exchanger <code>C</code>, where it receives heat from the cold reservoir, crosses the <code>C → L</code> check valve, and then enters the receiving cylinder <code>L</code>. The <code>L+H</code> pair remains quasi-pressure-equalized if the criterion <math display="inline">\varepsilon_P\ll1</math> is satisfied.
=== 6.4 Phase III — détente ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
==== 6.4.1 Donor cylinder S ====
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Lors de la détente, les volumes des deux cylindres peuvent augmenter simultanément :
The fundamental balance is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>
 
</div>
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.
 
 
<span id="6.5_Phase_IV_—_exchange_through_Hi:_S_→_Hi_→_L"></span>
=== 6.5 Phase IV — échange via Hi : S → Hi → L ===
 


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La circulation dominante est :
For outflow guaranteed by the kinematic design:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{T_S}{T_{S,\mathrm{ref}}}=
S\to H_i\to L.
\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{ref}}}\frac{V_{S,\mathrm{ref}}}{V_S}\right]^{\gamma-1}
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
and:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
 
 
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.
 
 
L'échangeur <math display="inline">H_i</math> fournit de la chaleur au gaz :
 
<math>
<math>
P_S=P_{S,\mathrm{ref}}
\dot Q_i>0
\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{ref}}}\frac{V_{S,\mathrm{ref}}}{V_S}\right]^\gamma
</math>
.</math>
 
</div>
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.
 
 
<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.
 


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le sens des branches reste :
Reverse flow requires returning to the complete open-system balance in <math display="inline">(m_S,U_S)</math>.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
==== 6.4.2 Cold heat exchanger C ====
S\to H_i\to L,
</div>
\qquad
L\to H_o\to S,
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et les positions et orientations des deux clapets restent inchangées.
<math>\dot m_C=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The fundamental energy balance is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le fonctionnement moteur est obtenu en inversant le sens de rotation de la manivelle :
 
<math>
<math>
\frac{d(m_CC_vT_C)}{dt}
\omega<0,
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_S
</math>
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT_C
+(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et en échangeant les réservoirs externes reliés aux échangeurs thermiques :
In expanded form:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot T_C=
T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},
\frac{\dot m_{\mathrm{in}}(C_pT_S-C_vT_C)
\qquad
-\dot m_{\mathrm{out}}RT_C
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.
+(UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)}
</math>
{C_vm_C}
 
.</math>
 
</div>
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 <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.
 
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.


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The flow rates are determined by:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_{\mathrm{in}}=\Phi_{\mathrm{HX,C}}(P_S,P_C,T_S,\ldots),</math>
</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>\dot m_{\mathrm{out}}=\Phi_{\mathrm{valve,C}}(P_C,P_{LH},T_C,\ldots).</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
==== 6.4.3 Receiving pair L+H ====
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 :
The flow from <code>C</code> enters '''L'''. The pair pressure satisfies:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot P_{LH}=
Q_o<0,
\frac{\gamma R\dot m_{\mathrm{out}}T_C
</math>
+(\gamma-1)(UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)
-\gamma P_{LH}\dot V_L}
{V_L+V_H}
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et le fonctionnement moteur est obtenu lorsque :
Closing the <code>C → L</code> check valve returns the system to Phase I. Geometric closure of the pistons alone is not sufficient to guarantee thermodynamic closure of the cycle.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
== 7. Physical transitions of the check valves ==
W_{\mathrm{cycle}}>0.
</div>
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="7._Physical_transitions_of_the_check_valves"></span>
For a check valve oriented from upstream <math display="inline">u</math> to downstream <math display="inline">d</math>:
== 7. Transitions physiques des clapets ==
</div>
 
Pour un clapet orienté de l'amont <math display="inline">u</math> vers l'aval <math display="inline">d</math> :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>P_u-P_d\ge\Delta P_{\mathrm{open}}
<math>P_u-P_d\ge\Delta P_{\mathrm{open}}
\quad\Rightarrow\quad \text{opening},</math>
\quad\Rightarrow\quad \text{opening},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>P_u-P_d\le\Delta P_{\mathrm{close}}
<math>P_u-P_d\le\Delta P_{\mathrm{close}}
\quad\Rightarrow\quad \text{closing},</math>
\quad\Rightarrow\quad \text{closing},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
avec, en présence d'hystérésis :
with hysteresis, if present:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
An opening or closing event changes the hydraulic topology and therefore the active equations; it does not cause any instantaneous jump in the thermodynamic state. For each volume:
 
</div>
<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
 
Pour le gaz parfait :
 
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.
<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">
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>.
For an ideal gas:
</div>


<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> .
<math>T_i^+=T_i^-,\qquad P_i^+=P_i^-.</math>
</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.
There is therefore no instantaneous pressure equalization when a check valve opens.
</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.
The values <math display="inline">\Lambda^*</math> serve as kinematic design targets; the values actually observed at the transitions are <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}=\Lambda(t_{\mathrm{event}})</math>.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="8._Work,_heat,_and_performance"></span>
== 8. Work, heat, and coefficient of performance ==
== 8. Travail, chaleur et performance ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases à partir des pressions dans les cylindres :
The instantaneous work delivered by the gas on the two pistons is calculated during all phases:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le travail net du cycle est :
<math display="inline">P_S^\star</math> and <math display="inline">P_L^\star</math> denote the thermodynamic pressure effectively applied to the gas in each cylinder according to the phase topology: pair pressure when the cylinder belongs to a quasi-pressure-equalized pair, and its own pressure when it is a hydraulically isolated donor.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The net work over the cycle is:
</div>
<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
The exchanged heats are:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Lorsque les pressions des deux cylindres sont comparables pendant une phase de changement de pression,
<math>Q_C=\int_0^\tau (UA)_C(T_{C,\mathrm{res}}-T_C)\,dt,</math>
 
</div>
<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 :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Q_i=\int_0^\tau (UA)_i(T_{i,\mathrm{res}}-T_i)\,dt,</math>
<math>Q_H=\int_0^\tau (UA)_H(T_{H,\mathrm{res}}-T_H)\,dt.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Q_o=\int_0^\tau (UA)_o(T_{o,\mathrm{res}}-T_o)\,dt.</math>
In periodic steady operation:
 
</div>
En régime périodique :


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et le premier principe donne :
and the first law gives:
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le COP frigorifique est :
The refrigeration COP is:
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le COP en pompe à chaleur est :
The heat-pump COP is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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 lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The signs <math display="inline">Q_C>0</math>, <math display="inline">Q_H<0</math>, and <math display="inline">W_{\mathrm{cycle}}<0</math> provide checks of the intended refrigeration regime.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour le cycle moteur :
The thermodynamic force exerted by the gas on a piston face may be written <math display="inline">F_{\mathrm{gas}}=PS</math>. Net mechanical force, inertia, and friction belong to the subsequent mechanical sizing stage.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>Q_i>0,\qquad Q_o<0,\qquad W_{\mathrm{cycle}}>0.</math>
== 9. Gas charge and periodic regime ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le rendement thermique est :
The total amount of enclosed gas is a physical parameter:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>M_{\mathrm{tot}}=m_S+m_L+m_C+m_H=\mathrm{const}.</math>
\eta_{\mathrm{th}}
</div>
=
\frac{W_{\mathrm{cycle}}}{Q_i}
=
1+\frac{Q_o}{Q_i}.
</math>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La puissance thermodynamique moyenne du moteur est :
It may be imposed directly or defined experimentally by a charging pressure and temperature. The chosen reference configuration is that at <math display="inline">t=0</math>, with the large cylinder at maximum volume. If all volumes communicate and are in uniform equilibrium during charging:
 
</div>
<math>
\overline{\dot W}
=
\frac{W_{\mathrm{cycle}}}{\tau}.
</math>
 
 
La force thermodynamique exercée par le gaz sur une face de piston peut être écrite <math display="inline">F_{\mathrm{gas}}=PS</math>. La force mécanique nette, les inerties et les frottements relèvent du dimensionnement mécanique ultérieur.
 
<span id="9._Gas_charge_and_periodic_regime"></span>
== 9. Charge de gaz et régime périodique ==
 
La quantité totale de gaz enfermée est un paramètre physique :
 
<math>M_{\mathrm{tot}}=m_S+m_L+m_i+m_o=\mathrm{const}.</math>
 
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 lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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> and <math display="inline">T_{\mathrm{charge}}</math> define the amount of gas charged; they are not conditions that the periodic cycle must recover.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
The established periodic regime is a solution of the system such that, between two successive passages through the maximum volume of the large cylinder with the same kinematic direction:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\mathbf X(t+\tau)=\mathbf X(t).</math>
<math>\mathbf X(t+\tau)=\mathbf X(t).</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La périodicité géométrique seule :
Geometric periodicity alone:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>V_k(t+\tau)=V_k(t),\qquad k\in\{S,L\}.</math>
<math>V_i(t+\tau)=V_i(t)</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
ne suffit pas à garantir la périodicité thermodynamique.
is not sufficient to guarantee thermodynamic periodicity.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The numerical state used to initialize a calculation may be approximate; it must not be confused with a physical parameter of the machine. The future solver may search for the periodic fixed point by successive cycles, a shooting method, or a Newton method.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="10._Parameters,_design_data,_and_results"></span>
== 10. Parameters, design data, and results ==
== 10. Paramètres, données de conception et résultats ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="10.1_Prescribed_data"></span>
=== 10.1 Prescribed data ===
=== 10.1 Données imposées ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
* mode de fonctionnement ;
* working fluid and reference properties <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_{\mathrm{cold}}</math> et  <math display="inline">T_{\mathrm{hot}}</math> ;
* reservoir temperatures <math display="inline">T_{C,\mathrm{res}}</math>, <math display="inline">T_{H,\mathrm{res}}</math>;
* vitesses angulaire signée de la manivelle <math display="inline">\omega</math>.
* total charge <math display="inline">M_{\mathrm{tot}}</math>, or equivalently <math display="inline">(P_{\mathrm{charge}},T_{\mathrm{charge}})</math> in the charging configuration defined in §9;
* 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> ;
* kinematics <math display="inline">V_S(t)</math>, <math display="inline">V_L(t)</math>, and, where relevant, <math display="inline">\omega</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 ;
</div>
* cinématique <math display="inline">V_S(t)</math>, <math display="inline">V_L(t)</math>.


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="10.2_Design_parameters"></span>
=== 10.2 Design parameters ===
=== 10.2 Paramètres de conception ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
* <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_i</math>, <math display="inline">V_o</math> ;
* <math display="inline">V_C</math>, <math display="inline">V_H</math>;
* <math display="inline">(UA)_i</math>, <math display="inline">(UA)_o</math> ;
* <math display="inline">(UA)_C</math>, <math display="inline">(UA)_H</math>;
* paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par <math display="inline">(C_dA)_{\mathrm{eff}}</math> ;
* hydraulic parameters of the heat exchangers, pipes, and check valves, represented at first level by <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> ;
* thresholds <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 ;
* kinematic targets <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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="10.3_Calculated_variables_and_results"></span>
=== 10.3 Calculated variables and results ===
=== 10.3 Variables et résultats calculés ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
* <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 ;
* internal and external mass flow rates;
* <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">\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">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 ;
* pressure, temperature, and flow-rate extrema;
* extrema de pression, température et débit ;
* actual check-valve events and <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}</math>;
* événements réels des clapets et <math display="inline">\Lambda_{\mathrm{real}}</math> ;
* isothermal quality <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.
* validity criteria <math display="inline">\varepsilon_P</math>, <math display="inline">Ma</math>, <math display="inline">Z</math>, and property variations.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="11._Global_conservation_checks"></span>
== 11. Global conservation checks ==
== 11. Contrôles globaux de conservation ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="11.1_Mass_conservation"></span>
=== 11.1 Mass conservation ===
=== 11.1 Conservation de la masse ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le solveur doit satisfaire :
The solver must satisfy:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{dM_{\mathrm{tot}}}{dt}=0.</math>
<math>\frac{dM_{\mathrm{tot}}}{dt}=0.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Un résidu numérique utile est :
A useful numerical residual is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\varepsilon_M(t)=M_{\mathrm{tot}}(t)-M_{\mathrm{tot}}(0).</math>
<math>\varepsilon_M(t)=M_{\mathrm{tot}}(t)-M_{\mathrm{tot}}(0).</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="11.2_Global_energy_conservation"></span>
=== 11.2 Global energy conservation ===
=== 11.2 Conservation globale de l'énergie ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
Whatever the phase, the internal mass and enthalpy fluxes must cancel when the balances of all volumes are summed. The global balance must reduce to:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :
A cumulative energy residual may be defined by:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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 :
The solver must keep <math display="inline">\varepsilon_M</math> and <math display="inline">\varepsilon_E</math> close to zero to the expected numerical accuracy.
 
</div>
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
 
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.


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
----
----
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="Appendix_A_—_Symbolic_derivations_and_validated_checks"></span>
== Appendix A — Symbolic derivations and validated checks =
== Annexe A — Dérivations symboliques et contrôles validés ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.1_Pressure_equation_for_a_closed_pair"></span>
=== A.1 Pressure equation for a closed pair ==
=== A.1 Équation de pression d'une paire fermée ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour une paire cylindre + échangeur à pression quasi uniforme :
For a cylinder + heat-exchanger pair at quasi-uniform pressure:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>U=\frac{P(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})}{\gamma-1}.</math>
<math>U=\frac{P(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})}{\gamma-1}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le premier principe donne :
The first law gives:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{dU}{dt}=\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}},</math>
<math>\frac{dU}{dt}=\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
avec :
with:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot Q=(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX}).</math>
<math>\dot Q=(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX}).</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En dérivant <math display="inline">U</math> :
Differentiating <math display="inline">U</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{1}{\gamma-1}
<math>\frac{1}{\gamma-1}
\left[(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})\dot P+P\dot V_{\mathrm{cyl}}\right]
\left[(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})\dot P+P\dot V_{\mathrm{cyl}}\right]
=\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}}.</math>
=\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
D'où :
Hence:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot P=
\dot P=
Line 1,048: Line 1,318:
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Si <math display="inline">\dot Q=0</math> :
If <math display="inline">\dot Q=0</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{\dot P}{P}=-\gamma\frac{\dot V}{V},</math>
<math>\frac{\dot P}{P}=-\gamma\frac{\dot V}{V},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
puis :
then:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>PV^\gamma=\mathrm{const}.</math>
<math>PV^\gamma=\mathrm{const}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.2_Internal_flow_rate_of_the_pair"></span>
=== A.2 Internal flow rate of the pair ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== A.2 Débit interne de la paire ===
For the heat exchanger alone, at fixed volume:
 
</div>
 
Pour l'échangeur seul, volume fixe :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>U_{HX}=\frac{PV_{HX}}{\gamma-1}.</math>
<math>U_{HX}=\frac{PV_{HX}}{\gamma-1}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Donc :
Therefore:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{V_{HX}}{\gamma-1}\dot P
<math>\frac{V_{HX}}{\gamma-1}\dot P
=(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX})
=(UA)_{HX}(T_{HX,\mathrm{res}}-T_{HX})
+\dot m_{\mathrm{int}}C_pT_{\mathrm{up}}.</math>
+\dot m_{\mathrm{int}}C_pT_{\mathrm{up}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En utilisant <math display="inline">C_p=\gamma R/(\gamma-1)</math> :
Using <math display="inline">C_p=\gamma R/(\gamma-1)</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>V_{HX}\dot P+(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}})
<math>V_{HX}\dot P+(\gamma-1)(UA)_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{res}})
=\gamma R T_{\mathrm{up}}\dot m_{\mathrm{int}}.</math>
=\gamma R T_{\mathrm{up}}\dot m_{\mathrm{int}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
On retrouve la définition du numérateur <math display="inline">N</math> et la sélection de la température amont selon le signe du débit.
This recovers the definition of the numerator <math display="inline">N</math> and the selection of the upstream temperature according to the sign of the flow rate.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.3_Evolution_of_the_heat-exchanger_temperature_within_a_pair"></span>
=== A.3 Evolution of the heat-exchanger temperature within a pair ==
=== A.3 Évolution de la température de l'échangeur dans une paire ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For a fixed volume:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour un volume fixe :
 
<math>m_{HX}=\frac{PV_{HX}}{RT_{HX}}.</math>
<math>m_{HX}=\frac{PV_{HX}}{RT_{HX}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Differentiating:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En dérivant :
 
<math>\frac{\dot m_{HX}}{m_{HX}}
<math>\frac{\dot m_{HX}}{m_{HX}}
=\frac{\dot P}{P}-\frac{\dot T_{HX}}{T_{HX}}.</math>
=\frac{\dot P}{P}-\frac{\dot T_{HX}}{T_{HX}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
With <math display="inline">\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}}</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec <math display="inline">\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}}</math> :
 
<math>
<math>
\dot T_{HX}=\frac{T_{HX}}P\dot P-
\dot T_{HX}=\frac{T_{HX}}P\dot P-
\frac{RT_{HX}^2}{PV_{HX}}\dot m_{\mathrm{int}}
\frac{RT_{HX}^2}{PV_{HX}}\dot m_{\mathrm{int}}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
This relation follows solely from mass conservation and the equation of state; it is valid for both flow directions.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 Open receiving pair ==
 
</div>
<span id="A.4_Open_quasi-pressure-equalized_pair"></span>
=== A.4 Paire ouverte quasi-égalisée en pression ===


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For a pair receiving <math display="inline">\dot m_{\mathrm{ext}}</math> into its cylinder:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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}}
+\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}}.</math>
+\dot Q-P\dot V_{\mathrm{cyl}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
With <math display="inline">U=P(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})/(\gamma-1)</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec <math display="inline">U=P(V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX})/(\gamma-1)</math> :
 
<math>
<math>
\dot P=
\dot P=
Line 1,162: Line 1,393:
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
{V_{\mathrm{cyl}}+V_{HX}}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
The local mass balance:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}}.</math>
<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Si, en revanche, le flux externe entre en premier dans l'échangeur thermique :
immediately gives:
 
</div>
<math>\dot m_{\mathrm{cyl}}=-\dot m_{\mathrm{int}},\qquad
\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{ext}}+\dot m_{\mathrm{int}}.</math>
 
Dans les deux cas :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.5_Analytical_solution_for_the_adiabatic_donor_cylinder"></span>
=== A.5 Analytical solution for the adiabatic donor cylinder ==
=== A.5 Solution analytique du cylindre donneur adiabatique ===
</div>
 
 
Pour un cylindre adiabatique, bien mélangé, avec débit uniquement sortant :


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
For an adiabatic, well-mixed cylinder with outflow only:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{d(mC_vT)}{dt}=-P\dot V-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT,</math>
<math>\frac{d(mC_vT)}{dt}=-P\dot V-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et :
and:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m=-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
<math>\dot m=-\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En développant :
Expanding:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>C_vm\dot T+C_vT\dot m=-P\dot V+C_pT\dot m,</math>
<math>C_vm\dot T+C_vT\dot m=-P\dot V+C_pT\dot m,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
soit :
thus:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>C_vm\dot T=-P\dot V+RT\dot m.</math>
<math>C_vm\dot T=-P\dot V+RT\dot m.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec <math display="inline">P=mRT/V</math> et <math display="inline">R/C_v=\gamma-1</math> :
With <math display="inline">P=mRT/V</math> and <math display="inline">R/C_v=\gamma-1</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{dT}{T}=(\gamma-1)
<math>\frac{dT}{T}=(\gamma-1)
\left(\frac{dm}{m}-\frac{dV}{V}\right).</math>
\left(\frac{dm}{m}-\frac{dV}{V}\right).</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Après intégration :
After integration:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{T}{T_0}=
\frac{T}{T_0}=
\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]^{\gamma-1}
\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]^{\gamma-1}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Puis, avec <math display="inline">PV=mRT</math> :
Then, using <math display="inline">PV=mRT</math>:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
P=P_0\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]^\gamma
P=P_0\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]^\gamma
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et :
and:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{T}{T_0}=
\frac{T}{T_0}=
\left(\frac{P}{P_0}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}
\left(\frac{P}{P_0}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Sous ces hypothèses, l'entropie spécifique du gaz restant est constante : <math display="inline">ds=0</math>. L'entropie totale du contenu du cylindre n'est pas constante puisque sa masse varie.
Under these assumptions, the specific entropy of the remaining gas is constant: <math display="inline">ds=0</math>. The total entropy of the gas contained in the cylinder is not constant because its mass varies.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.6_Active_heat_exchanger:_expanded_balance"></span>
=== A.6 Active heat exchanger: expanded balance ==
=== A.6 Échangeur actif : bilan développé ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Bilan fondamental :
Fundamental balance:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\frac{d(mC_vT)}{dt}
<math>\frac{d(mC_vT)}{dt}
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_{\mathrm{in}}
=\dot m_{\mathrm{in}}C_pT_{\mathrm{in}}
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT
-\dot m_{\mathrm{out}}C_pT
+\dot Q.</math>
+\dot Q.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En développant le membre de gauche et en utilisant :
Expanding the left-hand side and using:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}},</math>
<math>\dot m=\dot m_{\mathrm{in}}-\dot m_{\mathrm{out}},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
on obtient :
one obtains:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot T=
\dot T=
Line 1,299: Line 1,479:
{C_vm}
{C_vm}
.</math>
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Contrôles limites :
Limiting checks:
 
</div>
* sans débit, l'équation redonne la relaxation thermique d'un volume fermé ;
* à débit stationnaire égal entrant/sortant, elle redonne <math display="inline">mC_v\dot T=\dot mC_p(T_{\mathrm{in}}-T)+\dot Q</math> ;
* 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"></span>
=== A.7 Test de masse global ===


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Utilisation des flux signés définis au §6 :
* with no flow, the equation recovers the thermal relaxation of a closed volume;
* with equal steady inlet/outlet flow rates, it recovers <math display="inline">mC_v\dot T=\dot mC_p(T_{\mathrm{in}}-T)+\dot Q</math>;
* if <math display="inline">T_{\mathrm{in}}=T</math> and <math display="inline">\dot m_{\mathrm{in}}=\dot m_{\mathrm{out}}</math>, the net contribution of the flow to <math display="inline">\dot T</math> vanishes.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_S=-\dot m_{Si}+\dot m_{oS},</math>
=== A.7 Global mass test during an active phase ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_L=\dot m_{iL}-\dot m_{Lo},</math>
For Phase II:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},</math>
<math>\dot m_L=-\dot m_{\mathrm{in}},</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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 lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_{SC}=\dot m_{\mathrm{out}}.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La somme des quatre équations annule exactement tout flux de masse interne :
Summing:
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Phase IV gives exactly the same result by symmetry.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 Global energy test during an active phase ==
 
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.8_Global_energy_test"></span>
For Phase II:
=== A.8 Test énergétique global ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
En utilisant les flux d'enthalpie signés définis au §6 :
<math>\dot U_L=-P_L\dot V_L-\dot m_{\mathrm{in}}h_L,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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 lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot U_i=\dot H_{Si}-\dot H_{iL}+\dot Q_i,</math>
The internal enthalpy fluxes cancel exactly:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot U_o=\dot H_{Lo}-\dot H_{oS}+\dot Q_o.</math>
<math>-\dot m_{\mathrm{in}}h_L+\dot m_{\mathrm{in}}h_L=0,</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>-\dot m_{\mathrm{out}}h_H+\dot m_{\mathrm{out}}h_H=0.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Tous les flux d'enthalpie internes s'annulent exactement lorsque les quatre bilans sont additionnés :
What remains is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Phase IV provides the symmetric relation. In the closed phases, the same structure follows directly from summing the balances of the two pairs. Hence, for any phase:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Intégré sur une période :
<math>
 
\dot U_{\mathrm{tot}}
<math>Q_i+Q_o=W_{\mathrm{cycle}}.</math>
=\dot Q_C+\dot Q_H
 
-P_S^\star\dot V_S-P_L^\star\dot V_L
.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.9_Continuity_at_transitions"></span>
Integrated over a periodic cycle, this relation gives:
=== A.9 Continuité aux transitions ===
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
=== A.9 Continuity at transitions ==
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\qquad j\in\{S,L,i,o\}</math>
At the instant of a check-valve event, no finite mass or energy can be transferred in zero time. The conserved variables and geometry are therefore continuous:
</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_i^+=m_i^-,\qquad U_i^+=U_i^-,\qquad V_i^+=V_i^-.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Avec le gaz parfait :
For an ideal gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<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>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
ce qui implique :
which implies:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>
<math>T_i^+=T_i^-,\qquad P_i^+=P_i^-.</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L’événement modifie uniquement le débit hydraulique admissible sur la liaison du clapet ; l'état thermodynamique reste continu.
The event only creates a change in hydraulic topology and in the active system of equations.
</div>

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.