Stirling à Pistons Rotatifs Annulaires Trilobiques (SPRATL)

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par Remundo » 06/09/08, 10:58

Merci Toto65, en fait, un petit bug m'a bloqué, et je peux maintenant publier la suite 8)

Exploitation en cycle de Stirling

La présente invention utilise un nombre pair N de machines PRATL (2) ; N/2 sont chaudes car chauffées à Tc, et N/2 sont froides car refroidies à Tf. Chaque machine froide est reliée à une machine chaude avec un ou plusieurs régénérateurs (RGN).

Tel qu’illustré aux figures 2A à 2F, la connexion de 2 machines (2F,2C), l’une froide, l’autre chaude, via un régénérateur (RGN), donne la structure typique du dispositif(1) ; des cas plus élaborés sont envisageables.

Tel qu’illustré aux figures 3A et 3B, dans la machine PRATL froide (2F) sont aménagées 8 lumières de circulation unidirectionnelle du fluide caloporteur :
- LUGFHG : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie haute et gauche,
- LUGFHD : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie haute et droite,
- LUGFBG : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie basse et gauche,
- LUGFBD : lumière débouchant dans la grande chambre froide de la partie basse et droite.
- LUPFHG : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie haute et gauche,
- LUPFHD : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie haute et droite,
- LUPFBG : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie basse et gauche,
- LUPFBD : lumière débouchant dans la petite chambre froide de la partie basse et droite.

De même dans la machine PRATL chaude (2C), tel qu’illustré sur les figures 3C et 3D :
- LUGCHG : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie haute et gauche,
- LUGCHD : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie haute et droite,
- LUGCBG : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie basse et gauche,
- LUGCBD : lumière débouchant dans la grande chambre chaude de la partie basse et droite.
- LUPCHG : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie haute et gauche,
- LUPCHD : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie haute et droite,
- LUPCBG : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie basse et gauche,
- LUPCBD : lumière débouchant dans la petite chambre chaude de la partie basse et droite.

Les connexions ci-après font fonctionner le dispositif (1) en moteur de Stirling dans l’hypothèse où les pistons rotatifs annulaires (PRA) sont contra-rotatifs et partent initialement tel qu’illustré à la figure 3I .

Le régénérateur(RGN) assure les transferts de fluide caloporteur entre les machines PRATL (2F) et (2C) grâce à 4 tuyaux enroulés en hélicoïde, illustrés à la figure 2E:
- le premier connecte LUGCHD à LUGFBG,
- le second connecte LUGCBG à LUGFHD,
- le troisième connecte LUPFHG à LUPCBD, et,
- le quatrième connecte LUPFBD à LUPCHG.
Ces 4 connexions externes à (2F,2C) relient systématiquement des chambres de même nature (hormis leurs températures opposées) et dont la volumétrie varie exactement en sens inverse : ainsi, la réalisation des phases isochores du cycle de Stirling est parfaite (aussi bien à petit volume Vmin qu’à grand volume Vmax) et se fait à travers un régénérateur (RGN) très efficace (voir ‘principe et avantages du régénérateur’). Les 4 autres connexions sont des connexions internes à chaque machine :
- machine PRATL froide (2F)
o connexion de LUGFHG à LUPFHD
o connexion de LUGFBD à LUPFBG
- machine PRATL chaude (2C)
o connexion de LUPCHD à LUGCHG
o connexion de LUPCBG à LUGCBD
Ces 4 connexions relient systématiquement des chambres de même température, l’une grande, l’autre petite, dont la volumétrie varie en sens inverse, mais pas à la même vitesse : les transitions isothermes Vmax<**Vmin du cycle de Stirling sont ainsi réalisées (aussi bien en détente/compression qu’à température chaude et froide).

L’ensemble des connexions et les sens d’écoulement du fluide pour obtenir un moteur sont récapitulés aux figures 3E et 3F. La figure 3F montre qu’au sein du régénérateur, il est possible de réaliser une jonction entre LUGCHD et LUGCBG, ainsi qu’une bifurcation vers LUGFBG et LUGFHD (de même pour LUPFHG,LUPFBD et LUPCBD,LUPCHG).

Dans cette dernière configuration, le régénérateur ne comportera ainsi que 2 tuyaux, parcourus par un flux unidirectionnel continu de fluide. Le sens de parcours d’un tuyau à l’autre est en revanche opposé, ce qui permet au régénérateur, avec de simples tuyaux, d’être un échangeur de températures quasi-parfait pour les fluides froid et chaud transitant entre (2F) et (2C) afin de réaliser leur chauffage et refroidissement isochores (2**3 et 4**1).

Lorsqu’on souhaite un fonctionnement en récepteur de Stirling, afin d’avoir une pompe à chaleur, ou bien un réfrigérateur, à condition de fournir un travail mécanique, les connexions précédentes restent valables, mais :
- le sens de rotation des machines sera inversé, donc,
- le sens d’écoulement de tous les fluides est inversé.

Les figures 3G et 3H récapitulent l’ensemble des connexions et les sens d’écoulement du fluide pour obtenir un récepteur SPRATL avec le dispositif(1).
Ainsi, les connexions précédentes font fonctionner la machine SPRATL en récepteur de Stirling dans l’hypothèse où les pistons rotatifs annulaires sont contra-rotatifs et partent initialement tel qu’illustré à la figure 3J .

Les connexions exposées ici et le caractère contrarotatif ne sont qu’une possibilité parmi d’autres : ils ne restreignent en rien les configurations possibles entre les machines froides et chaudes. L’unique condition à respecter est qu’au sein de chaque machine, chaque piston (PRA) soit initialement dans la position décrite en figure 3N et tourne à la même vitesse. Quelle que soit l’orientation relative des machines (2F,2C) et/ou leur sens de rotation, on peut toujours trouver une combinaison de connexions pour avoir un moteur ou un récepteur SPRATL conforme au dispositif(1).
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par Remundo » 06/09/08, 11:00

Aspect fonctionnel et schématique des machines PRATL froide et chaude,
notamment en terme d'échanges de fluide caloporteur dans le cas moteur
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Dernière édition par Remundo le 06/09/08, 11:23, édité 2 fois.
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par Remundo » 06/09/08, 11:00

Conversion du mouvement
Le mouvement des pistons rotatifs annulaires (PRA) est un mouvement de rotation continue, mais d’axes alternés. Pour le convertir en une rotation continue d’axe fixe, plusieurs solutions ont été développées par Pascal HA PHAM, inventeur des machines (2,2F,2C) : bielle rotative avec deux rotules à doigt ; joint de Oldham ; guidage par lumières triangulaires circulaires (LUM1,LUM2,LUM3) découpées sur un rotor central.
Toutes ces alternatives, telles que décrites dans les demandes PCT 03.3921 et INPI 07.5990 et 07.6157 de Pascal HA PHAM sont compatibles avec le dispositif(1). Ainsi, tel qu’illustré aux figures 2B,2C,2D et 2F, la dernière solution est retenue avec les améliorations suivantes, pour des machines PRATL froides (2F) ou chaudes (2C) :- le piston trilobique (PRA,PRAF,PRAC) est composé :
o d’un trilobe (TRI,TRIF,TRIC)
o d’une plaque d’étanchéité (PLA,PLAF,PLAC) solidaire du trilobe
o d’au moins 3 manetons (MAN1,MAN2,MAN3) solidaires de la plaque (PLA,PLAF,PLAC),
- les manetons (MAN1,MAN2,MAN3) sont constamment au contact du pourtour des lumières (LUM1,LUM2,LUM3) des rotors (ROT,ROTF,ROTC) leur correspondant, et,
- les rotors (ROT,ROTF,ROTC), entraînés par les manetons, tournent autour d’un axe fixe traversant les machines (2,2F,2C) exactement en leur centre.

Vidéo téléchargeable ici (à lire en boucle, attendre quelques minutes)
http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... TL_low.avi
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par Remundo » 06/09/08, 11:00

Schémas de principe pour la mise en série ou parallèle de nombreuses machines PRATL
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par Remundo » 06/09/08, 11:01

Précautions d’isolation thermique
Dans la construction la plus simple, tel qu’illustré à la figure 2A, le manchon d’isolation (ISO) est absent et les rotors (ROTF) et (ROTC) sont solidaires pour ne constituer qu’une seule pièce (ROT). Néanmoins :
- pour bloquer la conduction et le rayonnement thermiques, un manchon d’isolation en tôles fines est mis en place, et peut être plus ou moins sophistiqué :
o réalisation du vide autour du régénérateur (RGN), ou seulement dans les couches concentriques (ISO1,ISO2,ISO3) du manchon (ISO)
o faces internes réfléchissantes des couches (ISO1,ISO2,ISO3) pour renvoyer les infra-rouges émis par les parties chaudes du régénérateur, et faces externes noires pour absorber le rayonnement extérieur.
- pour éviter le transfert direct de chaleur de (2C) vers (2F), tel qu’illustré aux figures 2G et 2H, le rotor (ROT) peut être scindé en 2 pièces (ROTF,ROTC), lesquelles sont accouplées de manière homocinétique tout en bloquant la conduction thermique. La surface de contact entre (ROTF) et (ROTC) est quasi-nulle. Cela est possible en utilisant des contacts ponctuels entre (ROTF) et (ROTC). Ici, 3 contacts ponctuels se font entre des cannelures planes (CAN) taillées dans (ROTF), et 3 sphères (SPH) solidaires de (ROTC). De plus (ROTF) pourra être réfléchissant et (ROTC) sombre.
Principe et avantages du régénérateur

Le régénérateur (RGN) est fondamental pour recycler au sein du dispositif(1) les échanges thermiques des phases isochores et tendre ainsi vers la limite de Carnot. Les difficultés techniques qu’il engendre actuellement sont un frein majeur à l’amélioration des machines de Stirling. Les régénérateurs actuels sont souvent victimes du flux alterné du fluide, ne favorisant pas de bons échanges thermiques, à moins d’utiliser des grilles fines qui posent alors deux nouveaux problèmes : leur coût et surtout des pertes de charges par laminage du fluide. Par ailleurs, ils sont souvent encombrants et difficiles à isoler.

Aussi, la présente invention fait le choix d’écoulements unidirectionnels de fluide entre chaque couple de machines PRATL, l’une chaude (2C) et l’autre froide (2F), ce qui permet de constituer un échangeur thermique avec 4 tuyaux, enroulés de préférence en hélicoïde. Ces tuyaux sont parcourus par du fluide : deux d’entre eux amènent constamment du fluide de (2F) vers (2C), et les deux autres dans le sens inverse : de (2C) vers (2F). De plus, ils sont mutuellement en contact thermique et constituent un échangeur de températures optimal car :
- la longueur des tuyaux enroulés en hélicoïde peut être augmentée fortement en gardant une bonne compacité,
- la section des tuyaux peut être suffisamment grande pour rendre négligeables les pertes de charge par laminage de fluide, de préférence gazeux,
- il est facile d’isoler le régénérateur ainsi constitué par un manchon cylindrique (ISO) à faces réfléchissantes (blocage des échanges radiatifs) et possédant au moins une cavité cylindrique vide (blocage de la conduction thermique du régénérateur vers l’extérieur).
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par Remundo » 06/09/08, 11:04

Généralisation du concept trilobique à des réalisations polylobiques impaires
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Sont illustrés ici : pentalobique et heptalobique
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par Remundo » 06/09/08, 11:04

Etanchéification des chambres

L’étanchéification est différente entre les petites chambres de l’étage interne (PC1,PC2,PC3) et les grandes (GC1,GC2,GC3) de l’étage externe des machines PRATL.
Tel qu’illustré à la figure 3L, pour les petites chambres (PC1,PC2,PC3), deux larges contacts surfaciques circulaires entre le piston (PRA) et le noyau (NBA) empêchent les fuites de fluide, hormis dans la position de la figure 3N, où le contact devient linéique en haut du piston (PRA). Ce phénomène est néanmoins extrêmement fugace et donc négligeable.
En revanche, pour les grandes chambres (GC1,GC2,GC3) ne subsiste qu’un seul contact surfacique entre le piston(PRA) et le carter (CAR), l’autre étant remplacé par un contact linéique presque permanent en tête de lobe, défavorable pour l’étanchéité. Ainsi, tel qu’illustré aux figures 3K,3M et 3N, ce contact linéique devient surfacique par des petits enlèvements de matière circulaires en tête de chaque lobe (EMC1,EMC2,EMC3), et par deux ajouts de matière circulaires(AMC1,AMC2) de mêmes centre et rayon sur le carter(CAR). Un vide de matière dans la position de la figure 3N est alors obturé par un ou plusieurs segments (SEG1,SEG2,SEG3,SEG4) sensiblement verticaux et poussés individuellement contre le piston (PRA) soit par un ressort, soit par une pression de fluide (non représentés).
Ces segments (SEG1,SEG2,SEG3,SEG4) ont une action d’étanchéité sur une partie relativement courte du mouvement (moins de 10° d’angle de rotation du piston(PRA) autour de la position de la figure 3N) : toutes les chambres sont étanchéifiées presque continuellement par des contacts surfaciques entre le piston(PRA), le noyau(NBA) et le carter(CAR). D’autres segments posés sur le noyau ou le piston ainsi que le fractionnement du carter(CAR) tel que décrit dans la demande INPI 07.6157 sont aussi envisageables pour optimiser l’étanchéité.


Extension à des pistons rotatifs annulaires polylobiques

Le dispositif(1) peut fonctionner avec un piston polylobique : tout nombre de lobes impair supérieur ou égal à 3 convient. Tel qu’illustré aux figures 4A et 4B pour un piston rotatif annulaire pentalobique(PRA), et 4C et 4D pour un piston rotatif annulaire heptalobique(PRA), à condition de modifier la forme périphérique du carter(CAR), du noyau(NBA) et des lumières (LUM1,LUM2,LUM3), les machines trilobiques (2,2F,2C) et leur application au dispositif(1) dans le cadre d’un cycle de Stirling se généralisent avec des pistons polylobiques impairs, notamment en terme de connexions et de conversions de mouvement.
Pour de nombreuses raisons, le cas optimal reste néanmoins celui du piston trilobique : perte de compacité, complexité du piston, étanchéité amoindrie et compressions/détentes du fluide non désirées au cours du cycle font que les cas au-delà de la machine heptalobique ne trouveront probablement pas d’applications concrètes et demeureront purement conceptuels dans le cadre de cycles de Stirling.

Video disponibles !
pentalobique : http://video.google.fr/videoplay?docid= ... 3159358194
heptalobique : http://video.google.fr/videoplay?docid= ... 8644980484

Dimensions et applications

La taille des dispositifs(1), qui sont des machines de Stirling à pistons rotatifs annulaires trilobiques (SPRATL) peut être très variable, allant de quelques dizaines de centimètres pour une application domestique à quelques dizaines de mètres pour une installation industrielle.
Les machines SPRATL s’inscrivent parfaitement dans les enjeux actuels des machines de Stirling, plus précisément :- valorisation de multiples sources de chaleur, souvent négligées (déchets organiques divers, biomasse, géothermie…), très difficile par des moyens habituels,
- relance de la filière hélio-thermo-électrique dans le cadre des centrales solaires à concentration,
- cogénérations domestiques ou industrielles, c’est à dire la production et la valorisation simultanées de chaleur et d’électricité,
- optimisation de processus thermodynamiques par récupération de chaleurs résiduelles (à cycle combiné, par exemple : centrales électriques, automobiles…).
- applications spécifiques, par exemple dans les navires à propulsion nucléaire où la cogénération et l’absence d’explosion dans les machines de Stirling sont appréciées.
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par Remundo » 06/09/08, 11:05

Schéma et notations pour l'étude thermique du régénérateur
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Disponible en pdf sur :
http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... ateur.html
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par Remundo » 06/09/08, 11:06

ça y est, j'ai tous les posts nécessaires... Je vais compléter... En attendant, vous pouvez postez et aller voir sur http://sycomoreen.free.fr 8)
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par marcel » 06/09/08, 11:18

Salut Remundo,
Je vois que certins n'ont pas dormi tout l'été à l'ombre du parasol. J'ai pas pu faire beaucoup de bricolage car le père Darcos m'a obligé à potasser beaucoup pendant les vacances.
Félicitations pour ce gros chantier. Je pense depuis longtemps qu'un version striling du PRATL s'imposait.
Bonne idée de supprimer l'apex externe du PR (voir fig 3N) en plaçant une double segmentation médiane sur le carter. Meilleure étanchéité sur les phases de transfert...
Il faut que je lise mieux les travaux copieux. J'ai pas encore compris quel type de fonctionnement vous avez choisi. Deux moteurs couplés en décalage angulaire un peu comme dans une version alpha????
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