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Objectif
(pompe à chaleur)
Développer une machine thermique inversible, qui fait circuler un gaz en circuit fermé entre deux cylindres isolants de volumes différents, à travers deux échangeurs thermiques, afin d’approcher le cycle de Carnot.
(heat pump)
To develop a reversible heat engine, which circulates a gas in a closed circuit between two insulating cylinders of different volumes, through two heat exchangers, in order to approach the Carnot cycle.
Cette machine peut servir dans la conception de pompes à chaleurs ou réfrigérateurs sans gaz à effet de serre comme le R93, car il n’y a pas de changement de phase. Elle devrait aussi pouvoir servir de moteur, produisant de l’énergie mécanique en transférant de la chaleur d’une source chaude vers une source froide.
Sur un principe proche existe depuis deux siècles le moteur Stirling, ce dernier réalise les transferts thermiques au niveau des cylindres, l’idée novatrice ici est de transférer la chaleur quand le gaz passe d’un cylindre à l’autre.
Dans la machine théorique que Sadi Carnot a utilisé pour décrire son cycle idéal, la source chaude et la source froide doivent agir alternativement au même endroit, ce qui parait techniquement irréalisable. L’usage de deux cylindres et deux échangeurs thermiques permet d’imiter cette machine, mais induit des frottements et un volume mort.
Cycle idéal
Cycle moteur
| 1 Compression adiabatique : Le gaz est compressé dans le petit cylindre, sa température augmente. | 
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| 2 Détente isotherme : Le gaz se détend du petit cylindre vers le grand cylindre en recevant de la chaleur dans le premier échangeur thermique. | 
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| 3 Détente adiabatique : Le gaz continue de se détendre dans le grand cylindre, sa température diminue. | 
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| 4 Compression isotherme : Le gaz est compressé du grand cylindre vers le petit, de la chaleur est extraite dans le deuxième échangeur thermique. | 
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Cycle récepteur
| 1 Détente adiabatique : Le gaz est détendu dans le petit cylindre, sa température diminue. | 
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| 2 Détente isotherme : Le gaz se détend du petit cylindre vers le grand cylindre en captant de la chaleur dans le premier échangeur thermique. | 
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| 3 Compression adiabatique : Le gaz est compressé dans le grand cylindre, sa température augmente. | 
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| 4 Compression isotherme : Le gaz est compressé du grand cylindre vers le petit, en relâchant de la chaleur dans le deuxième échangeur thermique. | 
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Motor cycle
| 1 Adiabatic compression: The gas is compressed in the small cylinder, increasing its temperature. |
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| 2 Isothermal expansion: The gas expands from the small cylinder to the large cylinder, receiving heat in the first heat exchanger. |
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| 3 Adiabatic expansion: The gas continues to expand in the large cylinder, reducing its temperature. |
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| 4 Isothermal compression: Gas is compressed from the large cylinder to the small one, and heat is extracted in the second heat exchanger. |
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Receiving cycle
| 1 Adiabatic expansion: The gas is expanded in the small cylinder, reducing its temperature. |
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| 2 Isothermal expansion: The gas expands from the small cylinder to the large cylinder, capturing heat in the first heat exchanger. |
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| 3 Adiabatic compression: The gas is compressed in the large cylinder, increasing its temperature. |
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| 4 Isothermal compression: The gas is compressed from the large cylinder to the small one, releasing heat in the second heat exchanger. |
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Thermodynamique
Températures de fonctionnement
Les températures extrêmes atteintes par le gaz dépendent de la nature du gaz, de sa pression initiale, et de la course des pistons lors des phases adiabatiques. Une machine permettant de modifier ce dernier paramètre permettrait de travailler avec des températures variables.
Transferts de chaleur
La réalisation de phases isothermes dans le cycle idéal nécessite l’adéquation entre :
- la nature du gaz, sa pression initiale,
- les caractéristiques des échangeurs thermiques, la différence entre les températures des sources chaude et froide et les températures extrêmes du gaz,
- le rapport des volumes des deux cylindres.
Operating temperatures
The extreme temperatures reached by the gas depend on the nature of the gas, its initial pressure, and the stroke of the pistons during adiabatic phases. A machine capable of modifying the latter parameter would allow working with variable temperatures.
Heat transfer
The realization of isothermal phases in the ideal cycle requires the matching of :
- the nature of the gas and its initial pressure,
- the characteristics of the heat exchangers, the difference between the temperatures of the hot and cold sources and the extreme temperatures of the gas,
- the volume ratio of the two cylinders.
Mécanique
Les possibilités techniques pour animer les pistons sont nombreuses, en particulier pour le cycle récepteur, solénoïdes, arbre à cames, vérins … mais un simple mécanisme 4 barres semble prometteur pour la réalisation d’une pompe à chaleur low tech efficace :
The technical possibilities for animating the pistons are numerous, particularly for the receiver cycle, solenoids, camshafts, cylinders ... but a simple 4-bar mechanism seems promising for the realization of an efficient low tech heat pump:
C’est libre ?
Totalement ! La description de cette invention est publiée ici sous license Creative Commons Zero, cependant je ne peux vous garantir que tout ou partie de cette machine ne soit pas actuellement protégé par un brevet.
Totally! The description of this invention is published here under Creative Commons Zero license, however I cannot guarantee that all or part of this machine is not currently protected by a patent.
J’espère profondément que cette idée participe à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, et je suis convaincu que de la rendre libre est la meilleure chose à faire pour faciliter son développement et sa diffusion rapide.
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