Thermodynamic and Mechanical Study/fr: Difference between revisions

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<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 class="mw-translate-fuzzy">
<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> et <math display="inline">d</math> désignent respectivement l'amont (''upstream'') et l'aval (''downstream''). L'enthalpie transportée est celle de l'amont :
</div>


<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>
<math>\dot H_{\mathrm{mass}}=\dot m C_pT_u.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
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.
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.
</div>


<span id="5.2_First-level_closure_using_a_compressible_orifice"></span>
<span id="5.2_First-level_closure_using_a_compressible_orifice"></span>
Line 624: Line 620:
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.
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.


<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">
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.
The cycle is described by four successive kinematic and thermodynamic regimes: compression, transfer through <math display="inline">H_o</math>, expansion, and transfer through <math display="inline">H_i</math>. These phases describe the dominant evolution of the machine; they are not defined by the state of the check valves. Valve opening and closing remain determined independently by the instantaneous pressure differences and may occur within a phase rather than exactly at a phase boundary.
</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.
The numbering below follows the refrigeration direction <math display="inline">\omega>0</math>. Motor operation uses the same physical machine with reversed crank direction and is described in §6.6.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1_Thermodynamic_rationale_of_the_four_phases"></span>
=== 6.1 Thermodynamic rationale of the four phases ===
=== 6.1 Justification thermodynamique des quatre phases ===
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1.1_Compression_and_expansion"></span>
==== 6.1.1 Compression and expansion ====
==== 6.1.1 Compression et détente ====
</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.
Compression and expansion are primarily pressure-changing phases. In the intended kinematics, both cylinder volumes may decrease simultaneously during compression and increase simultaneously during expansion.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le travail instantané fourni par le gaz est :
The instantaneous work delivered by the gas is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot W=P_S\dot V_S+P_L\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">
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.
When the two cylinder pressures are of the same order, both piston contributions therefore add during a simultaneous expansion and both contribute to the work required during a simultaneous compression. This allows the swept volumes of both cylinders to participate in the pressure-changing parts of the cycle.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
In an ideal reversible reference cycle, compression and expansion may be considered adiabatic and reversible. This is not imposed on the real machine. The heat exchangers remain thermally coupled to the gas, mass redistribution may continue, and neither check valve is required to be closed during the whole compression or expansion phase.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1.2_Exchange_phases"></span>
==== 6.1.2 Exchange phases ====
==== 6.1.2 Phases d'échange ====
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
During an exchange phase, gas is transferred from one cylinder to the other through one of the heat exchangers. Hydraulic resistance requires a finite pressure difference to produce a finite mass flow. This pressure difference is intrinsically irreversible.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pour la contribution des pertes hydrauliques idéalisée localement comme un processus d'étranglement adiabatique et isenthalpique d'un gaz parfait calorifiquement parfait :
For the hydraulic-loss contribution idealized locally as an adiabatic, isenthalpic throttling process of a calorically perfect ideal gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
h_u=h_d
h_u=h_d
Line 695: Line 668:
T_u=T_d,
T_u=T_d,
</math>
</math>
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\Delta s_{\mathrm{hyd}}
\Delta s_{\mathrm{hyd}}
Line 708: Line 677:
\qquad\text{for}\qquad P_u>P_d.
\qquad\text{for}\qquad P_u>P_d.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La limite réversible est donc :
The reversible limit is consequently:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
P_u-P_d\to0.
P_u-P_d\to0.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The exchange phases therefore tend ideally toward quasi-pressure-equalized operation. A finite real machine retains a finite pressure difference because a finite flow must cross the hydraulic resistances.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
Pressure equalization between communicating volumes at a given instant does not, by itself, imply that their common pressure remains constant throughout the exchange. Let <math display="inline">\mathcal C</math> denote a closed set of communicating gas volumes that are approximately at a common pressure <math display="inline">P</math>. For an ideal gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
M_{\mathcal C}
M_{\mathcal C}
Line 738: Line 697:
\sum_{j\in\mathcal C}\frac{V_j}{T_j},
\sum_{j\in\mathcal C}\frac{V_j}{T_j},
</math>
</math>
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
P=
P=
Line 750: Line 705:
{\displaystyle\sum_{j\in\mathcal C}V_j/T_j}.
{\displaystyle\sum_{j\in\mathcal C}V_j/T_j}.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
À masse constante, une transformation parfaitement isobare nécessite :
At constant mass, an exactly isobaric evolution requires:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{d}{dt}
\frac{d}{dt}
Line 764: Line 715:
\right)=0.
\right)=0.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
Thus the piston motions and the temperature evolution must compensate each other. Equal cylinder-volume changes are neither required nor generally expected.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La même condition peut être exprimée par le biais du bilan énergétique. Pour un ensemble quasi-égalisé en pression :
The same condition can be expressed through the energy balance. For a quasi-pressure-equalized set:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
U_{\mathcal C}
U_{\mathcal C}
Line 784: Line 729:
V_{\mathcal C}=\sum_{j\in\mathcal C}V_j.
V_{\mathcal C}=\sum_{j\in\mathcal C}V_j.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Son équilibre selon la première loi donne :
Its first-law balance gives:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
V_{\mathcal C}\dot P
V_{\mathcal C}\dot P
Line 798: Line 739:
-\gamma P\dot V_{\mathcal C}.
-\gamma P\dot V_{\mathcal C}.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Un échange approximativement isobare satisfait donc :
An approximately isobaric exchange therefore satisfies:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\gamma P\dot V_{\mathcal C}
\gamma P\dot V_{\mathcal C}
Line 811: Line 748:
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}.
(\gamma-1)\dot Q_{\mathcal C}.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The volume evolution imposed by the pistons can consequently compensate the thermal expansion or contraction produced by heat transfer, allowing substantial mass transfer while the common pressure remains nearly constant.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
A useful first-order cylinder-sizing relation follows from the same condition. Over a sufficiently small part of an isobaric exchange, if the donor and receiver temperatures may be treated as locally constant and the temperature-storage terms of the fixed exchanger volumes are secondary, then:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\frac{dV_r}{T_r}
\frac{dV_r}{T_r}
Line 829: Line 760:
-\frac{dV_d}{T_d},
-\frac{dV_d}{T_d},
</math>
</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>
\frac{dV_r}{-dV_d}
\frac{dV_r}{-dV_d}
Line 842: Line 769:
.
.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
The hotter side therefore requires a larger volume change for the same transferred gas mass at the same pressure. When the exchange uses comparable fractions of the available cylinder strokes and the gas temperatures remain close to characteristic working temperatures <math display="inline">T_h</math> and <math display="inline">T_c</math>, this gives the first-order geometric scaling:
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
\frac{V_{\mathrm{swept},h}}
\frac{V_{\mathrm{swept},h}}
{V_{\mathrm{swept},c}}
{V_{\mathrm{swept},c}}
Line 860: Line 781:
.
.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
Temperatures must be expressed in kelvin. This relation is a sizing guide, not an exact design constraint: exchanger hold-up, clearance volumes, temperature evolution during the exchange, finite pressure losses, and the compression and expansion phases can all shift the optimum. When these effects are significant, the complete condition involving <math display="inline">\sum V_j/T_j</math> must be used instead.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
These relations explain why a low-loss exchange naturally tends toward both small pressure differences along the hydraulic path and, with suitable piston kinematics, a nearly constant pressure throughout the exchange. Exact isobaricity is not imposed as a thermodynamic constraint.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.1.3_Balance_equations_valid_throughout_the_cycle"></span>
==== 6.1.3 Balance equations valid throughout the cycle ====
==== 6.1.3 Équations d'équilibre valides tout au long du cycle ====
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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 :
The four control volumes remain <math display="inline">S</math>, <math display="inline">H_i</math>, <math display="inline">L</math>, and <math display="inline">H_o</math>. Define the signed mass flow rates:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m_{Si}: S\to H_i,\qquad
\dot m_{Si}: S\to H_i,\qquad
\dot m_{iL}: H_i\to L,
\dot m_{iL}: H_i\to L,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m_{Lo}: L\to H_o,\qquad
\dot m_{Lo}: L\to H_o,\qquad
\dot m_{oS}: H_o\to S.
\dot m_{oS}: H_o\to S.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les sens positifs correspondent aux sens de circulation permanents des deux branches :
The positive directions correspond to the permanent circulation directions of the two branches:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
S\to H_i\to L,
S\to H_i\to L,
Line 907: Line 813:
L\to H_o\to S.
L\to H_o\to S.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Chaque branche comporte un clapet passif. Sa position par rapport à l'échangeur de chaleur est un choix de conception :
Each branch contains one passive check valve. Its position relative to the heat exchanger is a design choice:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
S\to \mathrm{CV}_i\to H_i\to L
S\to \mathrm{CV}_i\to H_i\to L
Line 920: Line 822:
S\to H_i\to \mathrm{CV}_i\to L,
S\to H_i\to \mathrm{CV}_i\to L,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
L\to \mathrm{CV}_o\to H_o\to S
L\to \mathrm{CV}_o\to H_o\to S
Line 928: Line 828:
L\to H_o\to \mathrm{CV}_o\to S.
L\to H_o\to \mathrm{CV}_o\to S.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le clapet contraint la liaison sur laquelle il est installé ; l'autre liaison peut être bidirectionnelle selon sa loi hydraulique.
The check valve constrains the link on which it is installed; the other link may be bidirectional according to its hydraulic law.
</div>




<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 :
Let <math display="inline">\dot H_{ab}</math> denote the signed enthalpy transport from volume <math display="inline">a</math> toward volume <math display="inline">b</math>. For a calorically perfect gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot H_{ab}=
\dot H_{ab}=
Line 948: Line 842:
\end{cases}
\end{cases}
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les bilans massiques sont alors :
The mass balances are then:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m_S=\dot m_{oS}-\dot m_{Si},
\dot m_S=\dot m_{oS}-\dot m_{Si},
</math>
</math>
</div>


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


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot m_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.
\dot m_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Les bilans énergétiques correspondants sont :
The corresponding energy balances are:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot U_S
\dot U_S
Line 991: Line 871:
-P_S\dot V_S,
-P_S\dot V_S,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot U_i
\dot U_i
Line 1,000: Line 878:
+\dot Q_i,
+\dot Q_i,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot U_L
\dot U_L
Line 1,009: Line 885:
-P_L\dot V_L,
-P_L\dot V_L,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot U_o
\dot U_o
Line 1,018: Line 892:
+\dot Q_o.
+\dot Q_o.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
These equations are valid during all four phases. The phase determines the prescribed piston motion and the dominant thermodynamic process; the hydraulic laws and pressure differences determine the actual flow rates and check-valve states.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
=== 6.2 Phase I — compression ===
=== 6.2 Phase I — compression ===
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Pendant la compression, les volumes des deux cylindres peuvent diminuer simultanément :
During compression, the two cylinder volumes may decrease simultaneously:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot V_S<0,\qquad \dot V_L<0
\dot V_S<0,\qquad \dot V_L<0
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
sur la partie principale de la phase.
over the principal part of the phase.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The pressure rises from the lower exchange-pressure region toward the higher one. Both pistons may contribute to the compression work.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
No closed-pair topology is imposed. A check valve may remain open during part of the compression, and gas may continue to move through the hydraulic network. In particular, a cylinder approaching its minimum volume may transfer its remaining gas toward the other cylinder. Heat transfer through <math display="inline">H_i</math> and <math display="inline">H_o</math> also remains active.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The actual evolution is therefore calculated from the complete balances of §6.1.3. Adiabatic compression is only the reversible reference limit described in §6.1.1.
</div>




<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 end of the compression phase is defined by the prescribed kinematic law, not by a check-valve event.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.3_Phase_II_—_exchange_through_Ho:_L_→_Ho_→_S"></span>
=== 6.3 Phase II — exchange through Ho: L → Ho → S ===
=== 6.3 Phase II — échange via Ho : L → Ho → S ===
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La circulation dominante est :
The dominant circulation is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
L\to H_o\to S.
L\to H_o\to S.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The gas leaves the large-cylinder side, passes through the heat-out branch, and reaches the small-cylinder side. The passive check valve <math display="inline">\mathrm{CV}_o</math> may be located either before or after <math display="inline">H_o</math>; in both cases it enforces the same net branch direction.
</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.
During the exchange, <math display="inline">L</math> acts predominantly as donor and <math display="inline">S</math> as receiver. Their volume changes need not have equal magnitudes. In the quasi-isobaric limit their first-order ratio follows the temperature relation derived in §6.1.2.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_o</math> extrait de la chaleur du gaz :
The heat-out exchanger removes heat from the gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot Q_o<0
\dot Q_o<0
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
dans le régime de fonctionnement prévu.
in the intended operating regime.
</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.
The ideal exchange tends toward small pressure differences along the active path and an approximately constant pressure over the phase. The finite real pressure differences required to drive the flow are determined by the hydraulic closure of §5.
</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 state of the other check valve and any secondary redistribution flow are determined by the instantaneous pressures; they are not prescribed by the phase definition.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.4_Phase_III_—_expansion"></span>
=== 6.4 Phase III — expansion ===
=== 6.4 Phase III — détente ===
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Lors de la détente, les volumes des deux cylindres peuvent augmenter simultanément :
During expansion, the two cylinder volumes may increase simultaneously:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot V_S>0,\qquad \dot V_L>0
\dot V_S>0,\qquad \dot V_L>0
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
sur la partie principale de la phase.
over the principal part of the phase.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The pressure decreases from the higher exchange-pressure region toward the lower one. Both pistons may then contribute simultaneously to the work delivered by the gas.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
As during compression, no zero-flow or closed-valve condition is imposed. Mass redistribution may continue and both heat exchangers remain thermally active. The complete balances of §6.1.3 therefore remain applicable.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La détente adiabatique est la limite de référence réversible, pas une condition de fonctionnement requise de la machine réelle.
Adiabatic expansion is the reversible reference limit, not a required operating condition of the real machine.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La fin de la phase de détente est déterminée par la loi cinématique prescrite, indépendamment des événements de clapets.
The end of the expansion phase is determined by the prescribed kinematic law independently of the check-valve events.
</div>




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




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La circulation dominante est :
The dominant circulation is:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
S\to H_i\to L.
S\to H_i\to L.
</math>
</math>
</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.
The gas leaves the small-cylinder side, passes through the heat-in branch, and reaches the large-cylinder side. The passive check valve <math display="inline">\mathrm{CV}_i</math> may be located either before or after <math display="inline">H_i</math>; both arrangements impose the same net branch direction.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
During the exchange, <math display="inline">S</math> acts predominantly as donor and <math display="inline">L</math> as receiver. Their required volume changes depend on the temperatures of the gas on the two sides according to the relations of §6.1.2.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_i</math> fournit de la chaleur au gaz :
The heat-in exchanger supplies heat to the gas:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot Q_i>0
\dot Q_i>0
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
dans le régime de fonctionnement prévu.
in the intended operating regime.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
As in Phase II, the ideal exchange tends toward quasi-pressure-equalized and approximately isobaric operation, while the real mass flow requires finite hydraulic pressure differences.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
After this phase, the prescribed kinematics return to the compression region and the four-phase sequence repeats. Thermodynamic closure nevertheless requires the complete state vector, and not only the piston geometry, to be periodic.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="6.6_Motor_operation"></span>
=== 6.6 Motor operation ===
=== 6.6 Fonctionnement moteur ===
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Aucun second ensemble d'équations de masse, d'énergie, de transfert de chaleur ou hydrauliques n'est nécessaire au fonctionnement moteur.
No second set of mass, energy, heat-transfer, or hydraulic equations is required for motor operation.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le sens des branches reste :
The physical branch directions remain:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
S\to H_i\to L,
S\to H_i\to L,
Line 1,228: Line 1,024:
L\to H_o\to S,
L\to H_o\to S,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et les positions et orientations des deux clapets restent inchangées.
and the positions and orientations of the two passive check valves remain unchanged.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Le fonctionnement moteur est obtenu en inversant le sens de rotation de la manivelle :
Motor operation is obtained by reversing the crank direction:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\omega<0,
\omega<0,
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
et en échangeant les réservoirs externes reliés aux échangeurs thermiques :
and exchanging the external reservoirs connected to the two heat exchangers:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},
T_{i,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{hot}},
Line 1,255: Line 1,041:
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.
T_{o,\mathrm{res}}=T_{\mathrm{cold}}.
</math>
</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
The geometric cycle is therefore traversed in the opposite direction. Pressure histories, mass flow rates, check-valve events, and the periodic thermodynamic state must all be recalculated; the refrigeration valve chronology is not assumed simply to carry over.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
In the intended refrigeration operation, the <math display="inline">L\to H_o\to S</math> transfer occurs on the high-pressure side of the cycle, whereas the <math display="inline">S\to H_i\to L</math> transfer occurs on the low-pressure side.
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
In the intended motor operation, reversal of the crank direction reverses these pressure roles: <math display="inline">L\to H_o\to S</math> becomes the low-pressure exchange, whereas <math display="inline">S\to H_i\to L</math> becomes the high-pressure exchange.
</div>


<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 physical thermal functions of the exchangers do not change: <math display="inline">H_i</math> always transfers heat into the gas and <math display="inline">H_o</math> always transfers heat out of the gas.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
L'échangeur <math display="inline">H_i</math> absorbe la chaleur du réservoir chaud :
The heat-in exchanger absorbs heat from the hot reservoir:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
Q_i>0,
Q_i>0,
</math>
</math>
</div>


<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 heat-out exchanger rejects heat to the cold reservoir:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
Q_o<0,
Q_o<0,
</math>
</math>
</div>


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


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


<span id="7._Physical_transitions_of_the_check_valves"></span>
<span id="7._Physical_transitions_of_the_check_valves"></span>
Line 1,321: Line 1,086:
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>
<math>\Delta P_{\mathrm{close}}\le\Delta P_{\mathrm{open}}.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
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 :
Une ouverture ou une fermeture modifie la topologie hydraulique et donc les équations actives ; elle ne provoque aucun saut instantané de l'état thermodynamique. Pour chaque volume :
</div>


<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
<math>m_j^+=m_j^-,\qquad U_j^+=U_j^-,\qquad V_j^+=V_j^-.</math>
Line 1,333: Line 1,096:
Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.
Il n'y a donc pas d'égalisation instantanée des pressions à l'ouverture d'un clapet.


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


<div class="mw-translate-fuzzy">
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> .
Les deux clapets passifs ont une orientation fixe :
</div>


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


<div class="mw-translate-fuzzy">
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.
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.
</div>


<span id="8._Work,_heat,_and_performance"></span>
<span id="8._Work,_heat,_and_performance"></span>
== 8. Travail, chaleur et performance ==
== 8. Travail, chaleur et performance ==


<div class="mw-translate-fuzzy">
Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases à partir des pressions dans les cylindres :
Le travail instantané du gaz sur les deux pistons est calculé pendant toutes les phases :
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
<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>


Le travail net du cycle est :
Le travail net du cycle est :


<div class="mw-translate-fuzzy">
<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">
Lorsque les pressions des deux cylindres sont comparables pendant une phase de changement de pression,
When the two cylinder pressures are comparable during a pressure-changing phase,
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot W\approx P(\dot V_S+\dot V_L).
\dot W\approx P(\dot V_S+\dot V_L).
</math>
</math>
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
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.
If both cylinders contract during compression, or both expand during expansion, their work contributions therefore add instead of partly cancelling. This allows a larger fraction of the available swept volume to participate in compression and expansion for a comparable pressure history. It does not by itself prove a higher thermal efficiency, because the heat transfers and the resulting pressure history change at the same time.
</div>


Les chaleurs échangées sont :
Les chaleurs échangées sont :
Line 1,434: Line 1,177:




<div class="mw-translate-fuzzy">
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.
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.
</div>


<span id="9._Gas_charge_and_periodic_regime"></span>
<span id="9._Gas_charge_and_periodic_regime"></span>
Line 1,484: Line 1,225:
=== 10.2 Paramètres de conception ===
=== 10.2 Paramètres de conception ===


<div class="mw-translate-fuzzy">
* <math display="inline">V_{S,\min}</math>, <math display="inline">V_{S,\max}</math>, <math display="inline">V_{L,\min}</math>, <math display="inline">V_{L,\max}</math> ;
* <math display="inline">V_{S,\min}</math>, <math display="inline">V_{S,\max}</math>, <math display="inline">V_{L,\min}</math>, <math display="inline">V_{L,\max}</math> ;
* <math display="inline">V_i</math>, <math display="inline">V_o</math> ;
* <math display="inline">V_i</math>, <math display="inline">V_o</math> ;
Line 1,490: Line 1,230:
* paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par <math display="inline">(C_dA)_{\mathrm{eff}}</math> ;
* paramètres hydrauliques des échangeurs, conduites et clapets, représentés au premier niveau par <math display="inline">(C_dA)_{\mathrm{eff}}</math> ;
* seuils <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{open}}</math>, <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{close}}</math> ;
* seuils <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{open}}</math>, <math display="inline">\Delta P_{\mathrm{close}}</math> ;
* position amont ou aval de chaque clapet relativement à son échangeur thermique ;
* cibles cinématiques <math display="inline">\Lambda_L^*</math>, <math display="inline">\Lambda_S^*</math>.
* cibles cinématiques <math display="inline">\Lambda_L^*</math>, <math display="inline">\Lambda_S^*</math>.
</div>


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


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


<span id="11._Global_conservation_checks"></span>
<span id="11._Global_conservation_checks"></span>
Line 1,526: Line 1,264:
Quelle que soit la phase, les flux massiques et enthalpiques internes doivent s'annuler lorsque les bilans de tous les volumes sont additionnés. Le bilan global doit se réduire à :
Quelle que soit la phase, les flux massiques et enthalpiques internes doivent s'annuler lorsque les bilans de tous les volumes sont additionnés. Le bilan global doit se réduire à :


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


Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :
Un résidu énergétique cumulatif peut être défini par :
Line 1,639: Line 1,375:


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


<div class="mw-translate-fuzzy">


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


<math>\frac{dU}{dt}=\dot m_{\mathrm{ext}}C_pT_{\mathrm{ext}}
<math>\frac{dU}{dt}=\dot m_{\mathrm{ext}}C_pT_{\mathrm{ext}}
Line 1,662: Line 1,394:
.</math>
.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
Si le flux extérieur pénètre dans le cylindre et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{int}}</math> est positif du cylindre vers l'échangeur thermique :
 
Le bilan de masse local :
</div>


<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 class="mw-translate-fuzzy">
<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}}.</math>
<math>\dot m_{HX}=\dot m_{\mathrm{int}},</math>
</div>


<div class="mw-translate-fuzzy">
Si, en revanche, le flux externe entre en premier dans l'échangeur thermique :


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


<div class="mw-translate-fuzzy">
Dans les deux cas :
<math>\dot m_{\mathrm{pair}}=\dot m_{\mathrm{ext}}.</math>
</div>


<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>


<span id="A.5_Analytical_solution_for_the_adiabatic_donor_cylinder"></span>
<span id="A.5_Analytical_solution_for_the_adiabatic_donor_cylinder"></span>
Line 1,768: Line 1,486:
* si <math display="inline">T_{\mathrm{in}}=T</math> et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{in}}=\dot m_{\mathrm{out}}</math>, la contribution nette du débit à <math display="inline">\dot T</math> s'annule.
* si <math display="inline">T_{\mathrm{in}}=T</math> et <math display="inline">\dot m_{\mathrm{in}}=\dot m_{\mathrm{out}}</math>, la contribution nette du débit à <math display="inline">\dot T</math> s'annule.


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.7_Global_mass_test"></span>
=== A.7 Global mass test ===
=== A.7 Test de masse global ===
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Utilisation des flux signés définis au §6 :
Using the signed link flows defined in §6:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_S=-\dot m_{Si}+\dot m_{oS},</math>
<math>\dot m_S=-\dot m_{Si}+\dot m_{oS},</math>
</div>


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


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},</math>
<math>\dot m_i=\dot m_{Si}-\dot m_{iL},</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_o=\dot m_{Lo}-\dot m_{oS}.</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
La somme des quatre équations annule exactement tout flux de masse interne :
Summing the four equations cancels every internal mass flow exactly:
</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">
Ce résultat est indépendant de la phase active, du sens d'écoulement sur les liaisons bidirectionnelles, et de la position des deux clapets.
This result is independent of the active phase, the flow directions on bidirectional links, and the positions of the two check valves.
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<span id="A.8_Global_energy_test"></span>
=== A.8 Global energy test ===
=== 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 :
Using the signed enthalpy fluxes defined in §6:
</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_S=-P_S\dot V_S-\dot H_{Si}+\dot H_{oS},</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_L=-P_L\dot V_L+\dot H_{iL}-\dot H_{Lo},</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>
<math>\dot U_i=\dot H_{Si}-\dot H_{iL}+\dot Q_i,</math>
</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 U_o=\dot H_{Lo}-\dot H_{oS}+\dot Q_o.</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 :
All internal enthalpy fluxes cancel exactly when the four balances are summed:
</div>


<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
<math>
<math>
\dot U_{\mathrm{tot}}
\dot U_{\mathrm{tot}}
Line 1,842: Line 1,529:
-P_S\dot V_S-P_L\dot V_L
-P_S\dot V_S-P_L\dot V_L
.</math>
.</math>
</div>




<div lang="en" dir="ltr" class="mw-content-ltr">
Intégré sur une période :
Integrated over a periodic cycle:
</div>


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




Line 1,872: Line 1,554:
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>
<math>T_j^+=T_j^-,\qquad P_j^+=P_j^-.</math>


<div class="mw-translate-fuzzy">
L’événement modifie uniquement le débit hydraulique admissible sur la liaison du clapet ; l'état thermodynamique reste continu.
 
L'événement ne crée qu'un changement de topologie hydraulique et de système d'équations actif.
</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.