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Présentation

Le moteur Dada est une machine thermique inversible, qui fait travailler un gaz en circuit fermé entre deux cylindres de volumes différents, à travers deux échangeurs thermiques sélectionnés par des clapets passifs, de manière à approcher un cycle de Brayton/Joule. Il peut aussi bien servir de moteur à chaleur externe que de pompe à chaleur. Le gaz de travail peut être inerte : hélium, azote, ou de l’air.

Il peut être considéré comme une variante du moteur Ericsson à cycle fermé sans régénérateur. Ses particularités résident dans sa cinématique et son architecture hydraulique spécifiquement arrangées. Chaque cylindre joue un rôle prépondérant durant le cycle, mais l'autre piston peut intervenir lors de la compression ou de la détente, permettant ainsi aux deux volumes balayés de contribuer aux variations de pression. Les clapets passifs ne séparent pas les échangeurs thermiques des cylindres, compressions et détentes agissent sur l'ensemble du système.

Durant son cycle la machine réalise une compression et une détente, entrecoupées de phases d’échanges thermiques idéalement isobares. Les clapets déterminent le sens de circulation dans les échangeurs. Entre la fin de la compression et le début de la détente, la totalité du gaz passe à travers l’échangeur chaud. Pendant la détente et jusqu’au début de la compression la totalité du gaz traverse l’échangeur froid.

Sur un principe proche existe depuis deux siècles le moteur Stirling, ce dernier réalise les transferts thermiques au niveau des cylindres, l’idée ici est de transférer la chaleur quand le gaz passe d’un cylindre à l’autre.

Les échangeurs thermiques sont un élément clé de cette machine, ils doivent offrir une surface d’échange maximale pour un volume interne et des pertes de charges minimales. Pour l’instant seuls des échangeurs à microtubes ont été envisagés, mais les échangeurs à microcannaux semblent prometteurs, particulièrement s’ils peuvent remplacer des clapets mobiles à l’aide d’un profil de valve Tesla.

Les cylindres et pistons sont conçus dans un matériau faiblement conducteur de chaleur. La cinématique des pistons peut être assurée par différents procédés, atteindre un rendement maximal demande un mouvement complexe qui peut être fidèlement approché avec un assemblage 6 barres, et un simple système bielle-manivelle permettra un fonctionnement avec un rendement dégradé. Pour un usage en réfrigération de nombreux mécanismes sont envisageables comme cames, vérins, solénoïdes, pistons liquides …

Il n’existe pas encore de prototype du moteur Dada. Une étude thermodynamique et mécanique complète a été réalisée, et a servi de base à la conception d’un simulateur 0D. C’est un projet ouvert et libre, toute aide est bienvenue.

Cycle moteur

Phase I — échange basse pression, idéalement isobare

La quasi-totalité du gaz est transférée du grand cylindre vers le petit cylindre à travers l’échangeur froid, de la chaleur est extraite du gaz, son volume et sa température diminuent.

Phase II — Compression, idéalement adiabatique

Le grand cylindre se ferme complètement, le petit cylindre compresse le gaz, le volume diminue, pression et température augmentent.

Phase III — échange haute pression, idéalement isobare

La totalité du gaz est transférée du petit cylindre vers le grand cylindre à travers l’échangeur chaud, il absorbe de la chaleur, son volume et sa température augmentent.

Phase IV — Détente, idéalement adiabatique

Le grand cylindre s’ouvre entièrement, le petit cylindre participe à la détente et s’ouvre légèrement, le volume du gaz augmente, pression et température diminuent.

Cycle récepteur (pompe à chaleur, réfrigérateur)

Phase I — Compression, idéalement adiabatique

Le petit cylindre se ferme complètement, le grand cylindre se ferme partiellement, le volume diminue, pression et température augmentent.

Phase II — échange haute pression, idéalement isobare

La totalité du gaz est transférée du grand cylindre vers le petit cylindre à travers l’échangeur chaud, le gaz y cède de la chaleur, son volume et sa température diminuent.

Phase III — Détente, idéalement adiabatique

Le petit cylindre s’ouvre entièrement, le grand cylindre participe à la détente et s’ouvre légèrement, le volume du gaz augmente, pression et température diminuent.

Phase IV — échange basse pression, idéalement isobare

la quasi-totalité du gaz est transféréé du petit cylindre au grand cylindre à travers l’échangeur froid, le gaz y absorbe de la chaleur, son volume et sa température augmentent.

Vers une machine réelle

Dans le moteur Dada les échangeurs thermiques restent actifs tout au long du cycle, compression et détente ne peuvent pas être parfaitement adiabatiques. Afin de limiter les irréversibilités ces phases doivent être brèves par rapport aux constantes de temps thermiques, les volumes morts et volumes internes des échangeurs seront ajustés au minimum.

Les transferts à travers les échangeurs engendrent des pertes de charge, l’isobare parfait est irréalisable. Afin de limiter ces pertes la durée des transferts est allongée de manière à limiter le débit, et les échangeurs doivent opposer le moins possible de résistance au passage du gaz.

Une étude thermodynamique complète du cycle a été réalisée à l’aide d’un usage massif de l’IA. J’ai appris beaucoup de choses au cours de cette écriture, et bien que ce travail me semble rigoureux il nécessite une relecture : Étude thermodynamique et mécanique.

À partir des équations établies dans cette étude, un simulateur 0D a été développé en Python (entièrement par IA, y compris la documentation) afin de rechercher les dimensions et paramètres optimaux de cette machine dans différentes configurations : Dada Engine Solver. Je l’ai utilisé pour dimensionner une cellule de refroidissement utilisant de l'air comme gaz de travail et actionnée par pédalier. Je prévois de dimensionner un petit moteur de démonstration à air dans les prochaines semaines, puis une pompe à chaleur et un moteur utilisant l'hélium comme gaz de travail.

C’est libre ?

Totalement ! La description de cette invention est publiée ici sous licence Creative Commons Zero, cependant je ne peux vous garantir que tout ou partie de cette machine ne soit pas actuellement protégé par un brevet.

J’espère profondément que cette idée participe à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, et je suis convaincu que la rendre libre est la meilleure chose à faire pour faciliter son développement et sa diffusion rapide.

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