Étude thermodynamique et mécanique

1. Périmètre et méthode

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

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

$t=0,\theta (0)=0,V_L(0)=V_{L,max}.$

Les quatre volumes de gaz sont :

• S : petit cylindre, directement associé à l'échangeur froid C ;
• L : grand cylindre, directement associé à l'échangeur chaud H ;
• C : échangeur thermique froid, qui prélève de la chaleur au réservoir froid ;
• H : échangeur thermique chaud, qui rejette de la chaleur vers le réservoir chaud.

Les clapets autorisent H → S pendant la Phase II et C → L pendant la Phase IV.

Le cycle comporte quatre phases :

• Phase I — clapets fermés, nominalement adiabatique : compression côté L+H ;
• Phase II — échange thermique, nominalement isotherme : transfert L → H → S, avec rejet de chaleur côté chaud ;
• Phase III — clapets fermés, nominalement adiabatique : détente côté S+C ;
• Phase IV — échange thermique, nominalement isotherme : transfert S → C → L, avec prélèvement de chaleur côté froid.

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

1.1 Hypothèses de premier niveau

Le modèle repose sur les hypothèses suivantes :

• gaz monophasique, parfait et calorifiquement parfait ;
• propriétés constantes $R$, $C_p$, $C_v$, $\gamma$ avec $R=C_p-C_v$ et $\gamma =C_p/C_v$ ;
• 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 $i\in \{S,L\}$ :

$V_{i,min}>0,V_{i,max}>V_{i,min}.$

Le volume balayé est :

$V_{i,\mathrm{s}\mathrm{w}\mathrm{e}\mathrm{p}\mathrm{t}}=V_{i,max}-V_{i,min}.$

Les volumes thermodynamiques imposés par la mécanique sont :

$V_S=V_S(t),V_L=V_L(t),$

avec leurs dérivées signées :

${\dot{V}}_S=\frac{d{V}_S}{dt},{\dot{V}}_L=\frac{d{V}_L}{dt}.$

Si la manivelle tourne à vitesse constante $\omega$ :

$\theta (t)=\omega t,{\dot{V}}_i=\omega \frac{d{V}_i}{d\theta }.$

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

${\nu }_{V,i}=|{\dot{V}}_i|.$

Une zone quasi immobile désigne un intervalle où le déplacement ou $|\dot{V}|$ reste faible par rapport aux phases de transfert. Cette zone correspond au « plateau » de l'optimisation cinématique, sans supposer $\dot{V}=0$ exactement.

2.2 Fraction de fermeture cinématique

Pour décrire la fermeture normalisée d'un cylindre :

${\Lambda }_i(t)=\frac{V_{i,max}-V_i(t)}{V_{i,max}-V_{i,min}},i\in \{S,L\}.$

Ainsi ${\Lambda }_i=0$ correspond au volume maximal et ${\Lambda }_i=1$ au volume minimal. Les valeurs ${\Lambda }_L^{\ast }$ et ${\Lambda }_S^{\ast }$ sont des cibles cinématiques nominales aux transitions. La valeur réellement atteinte lors d'un événement de clapet est :

${\Lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{l}}=\Lambda (t_{\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}}).$

Les transitions physiques restent déterminées par les pressions ; ${\Lambda }^{\ast }$ n'est donc pas une condition d'ouverture imposée.

2.3 Variables thermodynamiques

Pour chaque volume $i\in \{S,L,C,H\}$ :

$m_i,U_i,T_i,P_i,V_i.$

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

$𝐗=(m_S,U_S,m_L,U_L,m_C,U_C,m_H,U_H).$

Les températures et pressions en sont déduites :

$T_i=\frac{U_i}{m_i{C}_v},P_i=\frac{m_{i}R{T}_i}{V_i}.$

Les volumes $V_S(t)$ et $V_L(t)$ sont imposés par la cinématique et ne sont pas des variables d'état thermodynamiques indépendantes. Les volumes $V_C$ et $V_H$ 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 :

$\dot{W}=P\dot{V}.$

En fonctionnement frigorifique recherché :

$Q_C>0,Q_H<0,W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}<0.$

3. Fermeture thermique et domaine de validité

3.1 Échange avec les réservoirs thermiques

Pour un échangeur $HX\in \{C,H\}$ :

${\dot{Q}}_{HX}=(UA{)}_{HX}(T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_{HX}).$

$T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$ est la température du réservoir thermique externe, imposée et constante dans le modèle de base. $T_{HX}$ est la température moyenne 0D du gaz dans l'échangeur. $(UA{)}_{HX}$ représente la conductance thermique globale, qui peut regrouper convection, conduction de paroi et résistances de contact.

Côté froid :

${\dot{Q}}_C=(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C).$

En fonctionnement frigorifique, $T_C<T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$ donne ${\dot{Q}}_C>0$.

Côté chaud :

${\dot{Q}}_H=(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H).$

En fonctionnement frigorifique, $T_H>T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$ donne ${\dot{Q}}_H<0$.

Une phase nominalement isotherme ne signifie donc pas $T_{HX}=T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$ : un écart de température fini est nécessaire pour transférer une puissance thermique finie lorsque $UA$ est fini.

Un indicateur de qualité d'isothermie peut être défini sur une phase donnée par :

${\epsilon }_T=\frac{T_{max}-T_{min}}{T_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}.$

3.2 Domaine de validité thermophysique

Le modèle de base suppose :

$PV=mRT,Z=1,$

$C_p=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t},C_v=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t},\gamma =\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}.$

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

$|Z-1|\ll 1,$

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

${\epsilon }_{C_p}=\frac{C_{p,max}-C_{p,min}}{C_{p,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\ll 1.$

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 $Z(P,T)$, $C_p(T)$, $C_v(T)$ ou une équation d'état réelle sans modifier l'architecture générale des bilans de masse et d'énergie.

4. Formulation réduite d'une paire quasi égalisée en pression

Lorsqu'un cylindre et son échangeur sont reliés par une liaison interne très peu résistive, on peut utiliser l'approximation :

$P_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}\approx P_{HX}=P_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}.$

Elle est acceptable si :

${\epsilon }_P=\frac{|\Delta P_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}|}{P_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}}\ll 1,\Delta P_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}=P_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}-P_{HX}.$

Un faible nombre de Mach interne constitue un contrôle complémentaire :

$M{a}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}=\frac{|u_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}|}{a}\ll 1,$

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

4.1 Cas fermé de la paire

Pour une paire fermée, avec $V_{HX}$ fixe et $V=V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}$ :

$\frac{dP}{dt}=\frac{(\gamma -1)(UA{)}_{HX}(T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_{HX})-\gamma P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}}{V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}}.$

Lorsque $(UA{)}_{HX}=0$ :

$P(V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}{)}^{\gamma }=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}.$

4.2 Débit interne de redistribution

On définit positif le débit interne cylindre → échangeur. Posons :

$N=V_{HX}\dot{P}+(\gamma -1)(UA{)}_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}).$

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

${\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}=\{\begin{array}{cc}\frac{N}{\gamma R{T}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}},& N\ge 0(\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}\to HX),\\ \frac{N}{\gamma R{T}_{HX}},& N<0(HX\to \mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}).\end{array}$

La température de l'échangeur évolue selon :

${\dot{T}}_{HX}=\frac{T_{HX}}{P}\dot{P}-\frac{R{T}_{HX}^2}{P{V}_{HX}}{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}.$

4.3 Paire réceptrice ouverte

Lors d'une phase active, le débit externe entre physiquement dans le cylindre récepteur, et non directement dans son échangeur associé. Si ${\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}>0$ entre dans le cylindre à la température $T_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}$ :

$\dot{P}=\frac{\gamma R{T}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}{\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}+(\gamma -1)(UA{)}_{HX}(T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_{HX})-\gamma P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}}{V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}}.$

Les masses vérifient :

${\dot{m}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}={\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}},{\dot{m}}_{HX}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}},$

et donc :

${\dot{m}}_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}={\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}.$

Le cas fermé est obtenu immédiatement avec ${\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}=0$.

5. Fermeture hydraulique

5.1 Formulation générique

Toute liaison hydraulique est décrite par une loi générique :

$\dot{m}=\Phi (P_u,P_d,T_u,𝒢,ℱ)$

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

${\dot{H}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}=\dot{m}{C}_p{T}_u.$

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.

5.2 Fermeture de premier niveau par orifice compressible

Une première approximation consiste à employer une aire hydraulique effective :

$(C_{d}A{)}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}},$

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

Avec :

$r=\frac{P_d}{P_u},r_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{t}}={\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\gamma /(\gamma -1)},$

le débit non étranglé, pour $r>r_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{t}}$, est :

$\dot{m}=(C_{d}A{)}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{P}_u\sqrt{\frac{2\gamma }{R{T}_u(\gamma -1)}(r^{2/\gamma }-r^{(\gamma +1)/\gamma })}.$

Pour $r\le r_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{t}}$ :

$\dot{m}=(C_{d}A{)}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{P}_u\sqrt{\frac{\gamma }{R{T}_u}}{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{\frac{\gamma +1}{2(\gamma -1)}}.$

This closure is not essential to the model: it may later be replaced by a law that more faithfully represents the pressure losses of a real heat exchanger, pipe, or check valve.

6. Complete thermodynamic cycle

6.1 Phase I — check valves closed, nominally adiabatic: compression on the L side

Both check valves are closed. The L+H and S+C pairs are closed. The L+H side is nominally compressed; the motion of the small piston remains that provided by the actual kinematics.

For L+H:

${\dot{P}}_{LH}=\frac{(\gamma -1)(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H)-\gamma P_{LH}{\dot{V}}_L}{V_L+V_H}.$

For S+C:

${\dot{P}}_{SC}=\frac{(\gamma -1)(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C)-\gamma P_{SC}{\dot{V}}_S}{V_S+V_C}.$

The internal redistribution and temperature equations of §4 apply to both pairs.

The transition to Phase II occurs when the H → S check valve satisfies its opening condition.

6.2 Phase II — heat exchange, nominally isothermal: L → H → S

The gas leaves L, passes through the hot heat exchanger H, where it rejects heat, crosses the H → S check valve, and then enters the receiving cylinder S. The S+C pair remains quasi-pressure-equalized if the criterion ${\epsilon }_P\ll 1$ is satisfied.

6.2.1 Donor cylinder L

The fundamental balance is:

$\frac{d(m_L{C}_v{T}_L)}{dt}=-P_L{\dot{V}}_L-{\dot{m}}_{L,\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_p{T}_L.$

The kinematics are designed to maintain an outflow from the donor cylinder. In this case, the analytical solution is:

$\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}={\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\frac{V_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{V_L}\right]}^{\gamma -1}$

and:

$P_L=P_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}{\left[\frac{m_L}{m_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\frac{V_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{V_L}\right]}^{\gamma }.$

One also obtains:

$\frac{T_L}{T_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}={\left(\frac{P_L}{P_{L,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\right)}^{(\gamma -1)/\gamma },$

and the specific entropy of the remaining gas satisfies $ds=0$ under these assumptions. If reverse flow occurs despite the kinematic design, the analytical solution is no longer applicable and the complete open-system balance in $(m_L,U_L)$ must be used.

6.2.2 Hot heat exchanger H

Mass conservation:

${\dot{m}}_H={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}.$

Fundamental energy balance:

$\frac{d(m_H{C}_v{T}_H)}{dt}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{C}_p{T}_L-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_p{T}_H+(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H).$

In expanded form:

${\dot{T}}_H=\frac{{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(C_p{T}_L-C_v{T}_H)-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}R{T}_H+(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H)}{C_v{m}_H}.$

The flow rates are determined by the hydraulic laws:

${\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}={\Phi }_{\mathrm{H}\mathrm{X},\mathrm{H}}(P_L,P_H,T_L,\dots ),$

${\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}={\Phi }_{\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{v}\mathrm{e},\mathrm{H}}(P_H,P_{SC},T_H,\dots ).$

6.2.3 Receiving pair S+C

The flow from H enters S. The pair pressure satisfies:

${\dot{P}}_{SC}=\frac{\gamma R{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{T}_H+(\gamma -1)(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C)-\gamma P_{SC}{\dot{V}}_S}{V_S+V_C}.$

The internal redistribution equations of §4 remain unchanged: the external flow acts on heat exchanger C indirectly through the evolution of the pair pressure.

The transition to Phase III is the closing event of the H → S check valve.

6.3 Phase III — check valves closed, nominally adiabatic: expansion on the S side

Both check valves are closed. The S+C pair expands nominally; the L+H pair also remains closed. Neither piston is assumed to be strictly stationary.

For S+C:

${\dot{P}}_{SC}=\frac{(\gamma -1)(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C)-\gamma P_{SC}{\dot{V}}_S}{V_S+V_C}.$

For L+H:

${\dot{P}}_{LH}=\frac{(\gamma -1)(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H)-\gamma P_{LH}{\dot{V}}_L}{V_L+V_H}.$

The transition to Phase IV occurs when the C → L check valve satisfies its opening condition.

6.4 Phase IV — heat exchange, nominally isothermal: S → C → L

The gas leaves S, passes through the cold heat exchanger C, where it receives heat from the cold reservoir, crosses the C → L check valve, and then enters the receiving cylinder L. The L+H pair remains quasi-pressure-equalized if the criterion ${\epsilon }_P\ll 1$ is satisfied.

6.4.1 Donor cylinder S

The fundamental balance is:

$\frac{d(m_S{C}_v{T}_S)}{dt}=-P_S{\dot{V}}_S-{\dot{m}}_{S,\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_p{T}_S.$

For outflow guaranteed by the kinematic design:

$\frac{T_S}{T_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}={\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\frac{V_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{V_S}\right]}^{\gamma -1}$

and:

$P_S=P_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}{\left[\frac{m_S}{m_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}\frac{V_{S,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}{V_S}\right]}^{\gamma }.$

Reverse flow requires returning to the complete open-system balance in $(m_S,U_S)$.

6.4.2 Cold heat exchanger C

${\dot{m}}_C={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}.$

The fundamental energy balance is:

$\frac{d(m_C{C}_v{T}_C)}{dt}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{C}_p{T}_S-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_p{T}_C+(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C).$

In expanded form:

${\dot{T}}_C=\frac{{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(C_p{T}_S-C_v{T}_C)-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}R{T}_C+(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C)}{C_v{m}_C}.$

The flow rates are determined by:

${\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}={\Phi }_{\mathrm{H}\mathrm{X},\mathrm{C}}(P_S,P_C,T_S,\dots ),$

${\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}={\Phi }_{\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{v}\mathrm{e},\mathrm{C}}(P_C,P_{LH},T_C,\dots ).$

6.4.3 Receiving pair L+H

The flow from C enters L. The pair pressure satisfies:

${\dot{P}}_{LH}=\frac{\gamma R{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{T}_C+(\gamma -1)(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H)-\gamma P_{LH}{\dot{V}}_L}{V_L+V_H}.$

Closing the C → L check valve returns the system to Phase I. Geometric closure of the pistons alone is not sufficient to guarantee thermodynamic closure of the cycle.

7. Physical transitions of the check valves

For a check valve oriented from upstream $u$ to downstream $d$:

$P_u-P_d\ge \Delta P_{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{n}}\Rightarrow \text{opening},$

$P_u-P_d\le \Delta P_{\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}}\Rightarrow \text{closing},$

with hysteresis, if present:

$\Delta P_{\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}}\le \Delta P_{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{n}}.$

An opening or closing event changes the hydraulic topology and therefore the active equations; it does not cause any instantaneous jump in the thermodynamic state. For each volume:

$m_i^{+}=m_i^{-},U_i^{+}=U_i^{-},V_i^{+}=V_i^{-}.$

For an ideal gas:

$T_i^{+}=T_i^{-},P_i^{+}=P_i^{-}.$

There is therefore no instantaneous pressure equalization when a check valve opens.

The values ${\Lambda }^{\ast }$ serve as kinematic design targets; the values actually observed at the transitions are ${\Lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{l}}=\Lambda (t_{\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}})$.

8. Work, heat, and coefficient of performance

The instantaneous work delivered by the gas on the two pistons is calculated during all phases:

$\dot{W}=P_S^{\star }{\dot{V}}_S+P_L^{\star }{\dot{V}}_L.$

$P_S^{\star }$ and $P_L^{\star }$ denote the thermodynamic pressure effectively applied to the gas in each cylinder according to the phase topology: pair pressure when the cylinder belongs to a quasi-pressure-equalized pair, and its own pressure when it is a hydraulically isolated donor.

The net work over the cycle is:

$W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}={\int }_0^{\tau }(P_S^{\star }{\dot{V}}_S+P_L^{\star }{\dot{V}}_L)dt.$

The exchanged heats are:

$Q_C={\int }_0^{\tau }(UA{)}_C(T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_C)dt,$

$Q_H={\int }_0^{\tau }(UA{)}_H(T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_H)dt.$

In periodic steady operation:

$\Delta U_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}=0,$

and the first law gives:

$Q_C+Q_H=W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}.$

The refrigeration COP is:

$CO{P}_c=\frac{Q_C}{-W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}}.$

The heat-pump COP is:

$CO{P}_h=\frac{-Q_H}{-W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}}=CO{P}_c+1.$

The signs $Q_C>0$, $Q_H<0$, and $W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}<0$ provide checks of the intended refrigeration regime.

The thermodynamic force exerted by the gas on a piston face may be written $F_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}}=PS$. Net mechanical force, inertia, and friction belong to the subsequent mechanical sizing stage.

9. Gas charge and periodic regime

The total amount of enclosed gas is a physical parameter:

$M_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}=m_S+m_L+m_C+m_H=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}.$

It may be imposed directly or defined experimentally by a charging pressure and temperature. The chosen reference configuration is that at $t=0$, with the large cylinder at maximum volume. If all volumes communicate and are in uniform equilibrium during charging:

$M_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}=\frac{P_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}}[V_S(0)+V_{L,max}+V_C+V_H]}{R{T}_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}}}.$

$P_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}}$ and $T_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}}$ define the amount of gas charged; they are not conditions that the periodic cycle must recover.

The established periodic regime is a solution of the system such that, between two successive passages through the maximum volume of the large cylinder with the same kinematic direction:

$𝐗(t+\tau )=𝐗(t).$

Geometric periodicity alone:

$V_i(t+\tau )=V_i(t)$

is not sufficient to guarantee thermodynamic periodicity.

The numerical state used to initialize a calculation may be approximate; it must not be confused with a physical parameter of the machine. The future solver may search for the periodic fixed point by successive cycles, a shooting method, or a Newton method.

10. Parameters, design data, and results

10.1 Prescribed data

• working fluid and reference properties $R$, $C_p$, $C_v$, $\gamma$;
• reservoir temperatures $T_{C,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$, $T_{H,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}$;
• total charge $M_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}$, or equivalently $(P_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}},T_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{e}})$ in the charging configuration defined in §9;
• kinematics $V_S(t)$, $V_L(t)$, and, where relevant, $\omega$.

10.2 Design parameters

• $V_{S,min}$, $V_{S,max}$, $V_{L,min}$, $V_{L,max}$;
• $V_C$, $V_H$;
• $(UA{)}_C$, $(UA{)}_H$;
• hydraulic parameters of the heat exchangers, pipes, and check valves, represented at first level by $(C_{d}A{)}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}$;
• thresholds $\Delta P_{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{n}}$, $\Delta P_{\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}}$;
• kinematic targets ${\Lambda }_L^{\ast }$, ${\Lambda }_S^{\ast }$.

10.3 Calculated variables and results

• $m_i$, $U_i$, $T_i$, $P_i$;
• internal and external mass flow rates;
• ${\dot{Q}}_C$, ${\dot{Q}}_H$, $Q_C$, $Q_H$;
• $W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}$, $CO{P}_c$, $CO{P}_h$;
• pressure, temperature, and flow-rate extrema;
• actual check-valve events and ${\Lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{l}}$;
• isothermal quality ${\epsilon }_T$;
• validity criteria ${\epsilon }_P$, $Ma$, $Z$, and property variations.

11. Global conservation checks

11.1 Mass conservation

The solver must satisfy:

$\frac{d{M}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}}{dt}=0.$

A useful numerical residual is:

${\epsilon }_M(t)=M_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}(t)-M_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}(0).$

11.2 Global energy conservation

Whatever the phase, the internal mass and enthalpy fluxes must cancel when the balances of all volumes are summed. The global balance must reduce to:

$\frac{d{U}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}}{dt}={\dot{Q}}_C+{\dot{Q}}_H-P_S^{\star }{\dot{V}}_S-P_L^{\star }{\dot{V}}_L.$

A cumulative energy residual may be defined by:

${\epsilon }_E(t)=U_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}(t)-U_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}(0)-Q_C(0,t)-Q_H(0,t)+W(0,t).$

The solver must keep ${\epsilon }_M$ and ${\epsilon }_E$ close to zero to the expected numerical accuracy.

---

= Appendix A — Symbolic derivations and validated checks

= A.1 Pressure equation for a closed pair

For a cylinder + heat-exchanger pair at quasi-uniform pressure:

$U=\frac{P(V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX})}{\gamma -1}.$

The first law gives:

$\frac{dU}{dt}=\dot{Q}-P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}},$

with:

$\dot{Q}=(UA{)}_{HX}(T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_{HX}).$

Differentiating $U$:

$\frac{1}{\gamma -1}[(V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX})\dot{P}+P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}]=\dot{Q}-P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}.$

Hence:

$\dot{P}=\frac{(\gamma -1)\dot{Q}-\gamma P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}}{V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}}.$

If $\dot{Q}=0$:

$\frac{\dot{P}}{P}=-\gamma \frac{\dot{V}}{V},$

then:

$P{V}^{\gamma }=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}.$

= A.2 Internal flow rate of the pair

For the heat exchanger alone, at fixed volume:

$U_{HX}=\frac{P{V}_{HX}}{\gamma -1}.$

Therefore:

$\frac{V_{HX}}{\gamma -1}\dot{P}=(UA{)}_{HX}(T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}-T_{HX})+{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}{C}_p{T}_{\mathrm{u}\mathrm{p}}.$

Using $C_p=\gamma R/(\gamma -1)$:

$V_{HX}\dot{P}+(\gamma -1)(UA{)}_{HX}(T_{HX}-T_{HX,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}})=\gamma R{T}_{\mathrm{u}\mathrm{p}}{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}.$

This recovers the definition of the numerator $N$ and the selection of the upstream temperature according to the sign of the flow rate.

= A.3 Evolution of the heat-exchanger temperature within a pair

For a fixed volume:

$m_{HX}=\frac{P{V}_{HX}}{R{T}_{HX}}.$

Differentiating:

$\frac{{\dot{m}}_{HX}}{m_{HX}}=\frac{\dot{P}}{P}-\frac{{\dot{T}}_{HX}}{T_{HX}}.$

With ${\dot{m}}_{HX}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}$:

${\dot{T}}_{HX}=\frac{T_{HX}}{P}\dot{P}-\frac{R{T}_{HX}^2}{P{V}_{HX}}{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}.$

This relation follows solely from mass conservation and the equation of state; it is valid for both flow directions.

= A.4 Open receiving pair

For a pair receiving ${\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}$ into its cylinder:

$\frac{dU}{dt}={\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}{C}_p{T}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}+\dot{Q}-P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}.$

With $U=P(V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX})/(\gamma -1)$:

$\dot{P}=\frac{\gamma R{T}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}{\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}+(\gamma -1)\dot{Q}-\gamma P{\dot{V}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}}{V_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}+V_{HX}}.$

The local mass balance:

${\dot{m}}_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{l}}={\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}-{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}},$

${\dot{m}}_{HX}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}},$

immediately gives:

${\dot{m}}_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}={\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{t}}.$

= A.5 Analytical solution for the adiabatic donor cylinder

For an adiabatic, well-mixed cylinder with outflow only:

$\frac{d(m{C}_{v}T)}{dt}=-P\dot{V}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_{p}T,$

and:

$\dot{m}=-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}.$

Expanding:

$C_{v}m\dot{T}+C_{v}T\dot{m}=-P\dot{V}+C_{p}T\dot{m},$

thus:

$C_{v}m\dot{T}=-P\dot{V}+RT\dot{m}.$

With $P=mRT/V$ and $R/C_v=\gamma -1$:

$\frac{dT}{T}=(\gamma -1)(\frac{dm}{m}-\frac{dV}{V}).$

After integration:

$\frac{T}{T_0}={\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]}^{\gamma -1}.$

Then, using $PV=mRT$:

$P=P_0{\left[\frac{m}{m_0}\frac{V_0}{V}\right]}^{\gamma }.$

and:

$\frac{T}{T_0}={\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{(\gamma -1)/\gamma }.$

Under these assumptions, the specific entropy of the remaining gas is constant: $ds=0$. The total entropy of the gas contained in the cylinder is not constant because its mass varies.

= A.6 Active heat exchanger: expanded balance

Fundamental balance:

$\frac{d(m{C}_{v}T)}{dt}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{C}_p{T}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{C}_{p}T+\dot{Q}.$

Expanding the left-hand side and using:

$\dot{m}={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}},$

one obtains:

$\dot{T}=\frac{{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(C_p{T}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-C_{v}T)-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}RT+\dot{Q}}{C_{v}m}.$

Limiting checks:

• with no flow, the equation recovers the thermal relaxation of a closed volume;
• with equal steady inlet/outlet flow rates, it recovers $m{C}_v\dot{T}=\dot{m}{C}_p(T_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-T)+\dot{Q}$;
• if $T_{\mathrm{i}\mathrm{n}}=T$ and ${\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}={\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}$, the net contribution of the flow to $\dot{T}$ vanishes.

= A.7 Global mass test during an active phase

For Phase II:

${\dot{m}}_L=-{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}},$

${\dot{m}}_H={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}},$

${\dot{m}}_{SC}={\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}.$

Summing:

${\dot{M}}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}=0.$

Phase IV gives exactly the same result by symmetry.

= A.8 Global energy test during an active phase

For Phase II:

${\dot{U}}_L=-P_L{\dot{V}}_L-{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{h}_L,$

${\dot{U}}_H={\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{h}_L-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{h}_H+{\dot{Q}}_H,$

${\dot{U}}_{SC}={\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{h}_H+{\dot{Q}}_C-P_{SC}{\dot{V}}_S.$

The internal enthalpy fluxes cancel exactly:

$-{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{h}_L+{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{h}_L=0,$

$-{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{h}_H+{\dot{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{h}_H=0.$

What remains is:

${\dot{U}}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}={\dot{Q}}_C+{\dot{Q}}_H-P_L{\dot{V}}_L-P_{SC}{\dot{V}}_S.$

Phase IV provides the symmetric relation. In the closed phases, the same structure follows directly from summing the balances of the two pairs. Hence, for any phase:

${\dot{U}}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}}={\dot{Q}}_C+{\dot{Q}}_H-P_S^{\star }{\dot{V}}_S-P_L^{\star }{\dot{V}}_L.$

Integrated over a periodic cycle, this relation gives:

$Q_C+Q_H=W_{\mathrm{c}\mathrm{y}\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{e}}.$

= A.9 Continuity at transitions

At the instant of a check-valve event, no finite mass or energy can be transferred in zero time. The conserved variables and geometry are therefore continuous:

$m_i^{+}=m_i^{-},U_i^{+}=U_i^{-},V_i^{+}=V_i^{-}.$

For an ideal gas:

$T_i=\frac{U_i}{m_i{C}_v},P_i=\frac{m_{i}R{T}_i}{V_i},$

which implies:

$T_i^{+}=T_i^{-},P_i^{+}=P_i^{-}.$

The event only creates a change in hydraulic topology and in the active system of equations.