FR2870561A1 - Heat energy converter for e.g. motor, has secondary circuit with pump to transfer cool liquid into exchanger`s heater, where liquid cools gas before expansion, activates steam turbine, condenses via heater and permits to increase coolness - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention concerne un mécanisme permettant de fournir une énergie noble, mécanique, électrique, ou thermique, à partir d'une énergie thermique voire pneumatique. Elle nécessite une unique source thermique mais elle peut être étendue à un système bi-thermique plus classique. La source thermique fournit la chaleur que le système transforme en énergie noble. De cet unique potentiel thermique est générée, par le mécanisme, la différence de potentiel thermique nécessaire à un système moteur classique tel qu'une turbine à vapeur. Ainsi ce mécanisme mono therme déroge à la compréhension classique du principe de Carnot qui veut qu'il ne puisse exister de système moteur en l'absence de deux sources thermiques. Par ailleurs le rendement maximal de Carnot n'a plus de raison d'être dans un système mono therme, l'invention est un mécanisme efficace comme le sont les pompes à chaleur. The present invention relates to a mechanism for providing a noble energy, mechanical, electrical, or thermal, from a thermal energy or pneumatic. It requires a single thermal source but can be extended to a more conventional bi-thermal system. The heat source provides the heat that the system transforms into noble energy. From this single thermal potential is generated, by the mechanism, the thermal potential difference necessary for a conventional engine system such as a steam turbine. Thus this mono-thermal mechanism derogates from the classical understanding of the Carnot principle that there can be no engine system in the absence of two thermal sources. Moreover the maximum yield of Carnot no longer has a reason to be in a mono-thermal system, the invention is an effective mechanism as are the heat pumps.
Traditionnellement les moteurs utilisent presque uniquement les qualités détonnantes du carburant et dédaignent l'énergie thermique résiduelle. Parfois ils en utilisent une faible partie, le plus souvent ils l'évacuent. Il est intéressant de noter que les moteurs traditionnels exploitent seulement trente cinq pour cent de l'énergie qu'ils utilisent, le reste, soit soixante cinq pour cent, est perdu sous forme thermique. Des mécanismes complexes, comme le couplage d'une turbine à gaz et d'une machine à vapeur, obtiennent des rendements meilleurs mais tous sont très nettement inférieurs à un. A ce jour seules les pompes à chaleurs sont des mécanismes efficaces fournissant plus d'énergie thermique qu'elles ne consomment d'énergie noble. Par ailleurs les moteurs gèrent uniquement la source chaude, la source froide est généralement le milieu ambiant. Dans l'état de l'art, il est quasiment impossible de réaliser un véritable mécanisme de détente isotherme pour un système industriel. Enfin, les mécanismes thermodynamiques traditionnels sont d'une conception relativement simple dans le sens où le rendement du mécanisme peut être calculé directement à partir des conditions de fonctionnement. En général les boucles qu'ils utilisent sont celles des systèmes fermés, ils ne les utilisent pas en vue de créer des systèmes itératifs pour lesquels le rendement n'est plus le résultat d'un simple calcul mais résulte de la convergence du système itératif. Traditionally, engines use almost exclusively the explosive qualities of fuel and disdain residual thermal energy. Sometimes they use a small part, most often they evacuate. It is interesting to note that traditional engines use only thirty-five percent of the energy they use, the remaining sixty-five percent is lost in thermal form. Complex mechanisms, such as the coupling of a gas turbine and a steam engine, produce better yields, but all are well below one. To date only heat pumps are effective mechanisms providing more thermal energy than they consume noble energy. In addition, the motors only manage the hot source, the cold source is generally the ambient environment. In the state of the art, it is almost impossible to achieve a true isothermal expansion mechanism for an industrial system. Finally, the traditional thermodynamic mechanisms are of a relatively simple design in the sense that the efficiency of the mechanism can be calculated directly from the operating conditions. In general the loops they use are those of closed systems, they do not use them to create iterative systems for which the yield is no longer the result of a simple calculation but results from the convergence of the iterative system.
Le mécanisme selon l'invention se distingue par son excellent rendement, nous parlerons d'efficacité, et son mode de fonctionnement mono-thermique à la base. The mechanism according to the invention is distinguished by its excellent efficiency, we will talk about efficiency, and its mono-thermal mode of operation at the base.
Cette singularité est obtenue en exploitant les propriétés thermodynamiques des gaz décrits ci après. Le gaz admis en entrée est pourvu d'un potentiel d'énergie thermique, grandeur absolue. Ce potentiel est partiellement transformé en énergie 2870561 2 noble en générant un différentiel thermique autour de la température de référence, en interne le mécanisme génère un point chaud et un point froid. Ce delta est entretenu et accru grâce aux compresseur et turbine adiabatiques qui amplifient cet écart de température. Un mécanisme classique, tel qu'une turbine à vapeur, transforme ensuite cette différence de potentiel thermique en énergie noble. Le mécanisme se distingue par l'utilisation de la boucle véhiculant la variation d'enthalpie, boucle de vaporisationcondensation pour une turbine à vapeur, comme un mécanisme itératif amplifiant l'abaissement de température du point froid. This singularity is obtained by exploiting the thermodynamic properties of the gases described below. The input gas is provided with a thermal energy potential, absolute magnitude. This potential is partially transformed into noble energy by generating a thermal differential around the reference temperature, internally the mechanism generates a hot spot and a cold point. This delta is maintained and increased thanks to the adiabatic compressor and turbine that amplify this difference in temperature. A conventional mechanism, such as a steam turbine, then transforms this difference in thermal potential into noble energy. The mechanism is distinguished by the use of the loop conveying the enthalpy variation, vaporization loop for a steam turbine, as an iterative mechanism amplifying the lowering of the temperature of the cold point.
L'utilisation des propriétés thermodynamiques des gaz dont use le mécanisme sont les suivantes. Le mécanisme utilise la détente et la compression adiabatiques comme des amplificateurs thermiques produisant un accroissement ou une diminution de la température initiale. Ces deux processus thermodynamiques très proches ne sont pas utilisés de la même façon. L'amplificateur par détente prend en entrée deux sources thermiques, la source froide qui correspondrait à la base d'un transistor en électronique, abaisse la température de la source tempérée qui correspondrait à l'émetteur du même transistor. Après une détente adiabatique le gaz déjà refroidi ressort avec un abaissement thermique amplifié. L'amplificateur par compression prend en entrée une source thermique et une source énergétique, par une compression adiabatique classique nous obtenons un gaz comprimé ayant sa température initiale amplifiée. Ces deux processus permettent de créer une différence de potentiel thermique à partir d'un seul et même potentiel. Ils permettent de contrôler le point chaud et le point froid du mécanisme. The use of the thermodynamic properties of the gases used by the mechanism are as follows. The mechanism uses adiabatic expansion and compression as thermal amplifiers producing an increase or decrease in the initial temperature. These two very close thermodynamic processes are not used in the same way. The amplifier by detent input has two thermal sources, the cold source which corresponds to the base of a transistor in electronics, lowers the temperature of the tempered source that would correspond to the emitter of the same transistor. After adiabatic expansion the already cooled gas springs with an amplified thermal depression. The compression amplifier takes as input a thermal source and an energy source, by conventional adiabatic compression we obtain a compressed gas having its amplified initial temperature. These two processes make it possible to create a thermal potential difference from a single potential. They make it possible to control the hot spot and the cold point of the mechanism.
Au démarrage le mécanisme consomme de l'énergie noble, puis aux abords de son équilibre il peut s'autoalimenter pour devenir ensuite efficace et fournir une énergie. Dès lors il consomme uniquement l'énergie thermique de son milieu ambiant (au niveau du bilan énergétique). Son fonctionnement ne nécessite pas l'apport constant d'une énergie noble extérieure à l'invention. At start-up, the mechanism consumes noble energy, then at the edge of its equilibrium it can self-feed to become efficient and provide energy. From then on, it consumes only the thermal energy of its environment (at the level of the energy balance). Its operation does not require the constant supply of a noble energy external to the invention.
Le mécanisme selon l'invention permet de réaliser avantageusement une détente isotherme. Un travail équivalent, et même supérieur, à celui d'une détente isotherme est obtenu par l'invention à partir d'une détente adiabatique du gaz comprimé par amplification de l'abaissement de température qu'elle produit. Ce différentiel de température amplifié permet au mécanisme d'être efficace malgré le mauvais rendement des éléments transformant une différence de potentiel thermique en énergie noble, tel que les machines à vapeur par exemple. Il faut noter que le choix du type de liquide/gaz pour une machine à vapeur est important. Il sera préféré tous 2870561 3 les gaz ayant un grand écart entre les températures de leur point critique et de leur point triple. La température de leur point triple devant être de préférence basse, légèrement inférieure au point froid du mécanisme. La température du point critique devant être de préférence supérieure aux températures ambiantes pour éviter des démarrages délicats. A titre d'exemple nous donnerons l'éthane dont la température du point triple est de l'ordre de 90 Kelvin (-183 C), et celle du point critique est de 305 Kelvin (+32 C). Le but étant, pour un cycle vapeur, de choisir un gaz qui offre le meilleur rendement entre le point chaud et le point froid du mécanisme. Afin d'éviter toute confusion nous noterons dans le texte qui suit "gaz P" l'air/gaz du circuit primaire et "fluide S" le fluide du circuit secondaire, parfois aussi appelé "gaz S" ou "liquide S" lorsque le choix d'une turbine à vapeur est proposé. The mechanism according to the invention advantageously allows for an isothermal expansion. Work equivalent or even superior to that of an isothermal expansion is obtained by the invention from an adiabatic expansion of the compressed gas by amplifying the lowering temperature it produces. This amplified temperature differential allows the mechanism to be effective despite the poor performance of the elements transforming a thermal potential difference in noble energy, such as steam engines for example. It should be noted that the choice of the type of liquid / gas for a steam engine is important. It will be preferred any gas having a large difference between the temperatures of their critical point and their triple point. The temperature of their triple point should be preferably low, slightly lower than the cold point of the mechanism. The temperature of the critical point must preferably be higher than the ambient temperatures to avoid delicate starts. For example, we will give ethane whose temperature of the triple point is of the order of 90 Kelvin (-183 C), and that of the critical point is 305 Kelvin (+32 C). The goal is, for a steam cycle, to choose a gas that offers the best performance between the hot spot and the cold point of the mechanism. In order to avoid any confusion we will note in the text that follows "gas P" the air / gas of the primary circuit and "fluid S" the fluid of the secondary circuit, sometimes also called "gas S" or "liquid S" when the choice of a steam turbine is proposed.
Une autre approche plus classique, mais moins performante, utilise une seconde source de chaleur, tel qu'un brûleur. Elle a pour but d'augmenter la température du point chaud interne. Du fait que les seules propriétés thermiques résultant de la combustion du carburant nous intéressent, le combustible peut être de nature très variée, ainsi il permet d'utiliser des produits écologiques tels que les alcools, le méthane,... des carburants rustiques obtenus à partir de la biomasse sans plus value importante. Il pourrait aussi s'agir d'un apport thermique provenant d'un capteur solaire, ce sont là des exemples possibles mais non limitatifs. Another, more conventional, but less efficient approach uses a second heat source, such as a burner. It aims to increase the temperature of the internal hot spot. Since the only thermal properties resulting from fuel combustion are of interest to us, the fuel can be of a very varied nature, so it makes it possible to use ecological products such as alcohols, methane, etc. from biomass without significant added value. It could also be a thermal input from a solar collector, these are possible but non-limiting examples.
Ainsi qu'il a été dit le mécanisme selon l'invention base son mécanisme sur la chaleur, les compression/détente ne servent qu'à des fins thermiques et non pour l'énergie pneumatique elle même. En interne le mécanisme gère non plus la seule source thermique chaude mais les deux sources, et principalement la source froide, contrairement aux moteurs classiques qui ne contrôlent que la source chaude. As has been said the mechanism according to the invention bases its mechanism on heat, the compression / expansion serve only for thermal purposes and not for the pneumatic energy itself. Internally the mechanism manages not only the hot thermal source but the two sources, and mainly the cold source, unlike conventional engines that only control the hot source.
Selon certains types de montage l'invention fonctionnera en mode soit ouvert soit fermé. Dans le premier cas elle s'alimente en énergie thermique tout en absorbant le gaz P du milieu ambiant, dans le second cas le gaz P nécessaire au fonctionnement est en circuit fermé, il se charge en énergie thermique via un échangeur. Enfin il est possible d'ajouter une source chaude au mécanisme. According to certain types of assembly the invention will operate in either open or closed mode. In the first case it is fed with thermal energy while absorbing the gas P from the ambient medium, in the second case the gas P necessary for the operation is in a closed circuit, it is charged with heat energy via an exchanger. Finally it is possible to add a hot source to the mechanism.
Selon les modes particuliers de réalisation: - une source chaude peut être ajoutée avant ou après le compresseur. According to the particular embodiments: - a hot source can be added before or after the compressor.
- un échangeur/condensateur peut être ajouté entre la turbine à vapeur et le condensateur. Cet échangeur supplémentaire sera particulièrement intéressant dans le cas de l'ajout d'une source chaude. an exchanger / condenser can be added between the steam turbine and the condenser. This additional exchanger will be particularly interesting in the case of the addition of a hot source.
2870561 4 - le contrôleur d'injection peut utiliser des critères différents, le niveau de liquide dans la partie chaudière, la différence de température entre le gaz avant détente et le liquide en entrée du point chaud,... 2870561 4 - the injection controller can use different criteria, the liquid level in the boiler part, the temperature difference between the gas before expansion and the liquid entering the hot spot, ...
- le mécanisme dispose des capteurs nécessaires au contrôleur, ils sont propres au critère d'asservissement retenu. Quelques exemples ont été cités ci dessus, tel qu'un capteur de niveau de liquide S dans le point chaud par exemple. - The mechanism has the sensors needed by the controller, they are specific to the selected servo criterion. Some examples have been cited above, such as a liquid level sensor S in the hot spot for example.
- le circuit vapeur du mécanisme peut disposer de dispositif de purge, de réserve d'appoint de liquide, de contrôleur de pression, de système de sécurité... the steam circuit of the mechanism may have a purge device, a liquid booster reserve, a pressure controller, a safety system, etc.
- le flot de fluide S traversant la totalité du point chaud peut être constant, dans ce cas la composante dynamique du flot nécessaire à l'amplification du froid suit un circuit différent du flot constant. Par exemple, pour un mécanisme avec turbine à vapeur, après avoir abaissé la température du gaz P avant détente, le flot dynamique passe par un échangeur extérieur ou le liquide se vaporise à la pression saturante correspondant à la température ambiante. Ce montage multiplie les échangeurs, turbines, et injecteurs, il est donc coûteux, par contre il transforme plus d'énergie thermique pour un débit constant du compresseur, Il exploite mieux la différence d'enthalpie générée dans le point froid. - The flow of fluid S through the entire hot spot can be constant, in this case the dynamic component of the flow necessary for the amplification of the cold follows a circuit different from the constant flow. For example, for a mechanism with a steam turbine, after lowering the temperature of the gas P before expansion, the dynamic flow passes through an external exchanger or the liquid vaporizes at the saturating pressure corresponding to the ambient temperature. This assembly multiplies the exchangers, turbines, and injectors, it is therefore expensive, on the other hand it transforms more thermal energy for a constant flow of the compressor, It exploits better the difference of enthalpy generated in the cold point.
- l'invention utilisée pour effectuer une détente de type isotherme, par exemple, ne comprendra pas de compresseur. Le gaz comprimé lui est fourni par un dispositif 20 extérieur. the invention used to effect an expansion of the isothermal type, for example, will not include a compressor. The compressed gas is supplied to it by an external device.
- la turbine à vapeur peut disposer des techniques optimisant ce type de mécanisme. - The steam turbine can have techniques that optimize this type of mechanism.
- un mécanisme autre qu'une turbine à vapeur peut être utilisé pour convertir la différence thermique créée par l'invention en énergie noble. a mechanism other than a steam turbine can be used to convert the thermal difference created by the invention into noble energy.
- la turbine adiabatique peut être remplacée par un autre mécanisme de détente adiabatique, la turbine ne fournissant que peu d'énergie il est possible de faire l'économie d'un mécanisme coûteux. Il est également possible de faire de cette turbine un élément moins onéreux et utile au mécanisme, comme par exemple utiliser la détente pour accroître la compression du gaz, et donc sa température, en entrée du point chaud. Cette solution offre l'avantage d'amener le mécanisme plus rapidement à son point de convergence. - The adiabatic turbine can be replaced by another adiabatic expansion mechanism, the turbine providing little energy it is possible to save an expensive mechanism. It is also possible to make this turbine a less expensive and useful element to the mechanism, such as for example use the trigger to increase the compression of the gas, and therefore its temperature at the entrance of the hot spot. This solution offers the advantage of bringing the mechanism more quickly to its point of convergence.
Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente un schéma du dispositif de l'invention en mode fermé fonctionnant avec une unique source thermique. The attached drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents a diagram of the device of the invention in closed mode operating with a single thermal source.
La figure 2 représente un exemple d'implémentation de l'invention en mode ouvert fonctionnant avec une unique source thermique. FIG. 2 represents an exemplary implementation of the invention in open mode operating with a single thermal source.
2870561 5 La figure 2 représente un exemple d'implémentation de l'invention en mode fermé fonctionnant avec une unique source thermique. FIG. 2 represents an exemplary implementation of the invention in closed mode operating with a single thermal source.
En référence au dessin 1, le dispositif comporte deux circuits. Le premier circuit appelé circuit primaire est composé des éléments 1, 2, 3, 4, et 7, le circuit secondaire fermé est composé des éléments 2, 5, 4, et 6. With reference to drawing 1, the device comprises two circuits. The first circuit called primary circuit is composed of elements 1, 2, 3, 4, and 7, the closed secondary circuit is composed of elements 2, 5, 4, and 6.
Le circuit primaire commence par un compresseur (1), le gaz P pénètre dans le compresseur à une température Ta puis ressort échauffé par la compression dans l'échangeur du point chaud (2). Le point chaud est un grand échangeur dont l'extrémité coté compresseur est la partie chaude, de température quasi constante, alors que la partie proche de la turbine est une partie froide, sa température baisse progressivement durant le démarrage jusqu'à stabilité du système. A l'état stable la température du gaz avant détente est très nettement inférieure à Ta. En (3) une turbine adiabatique détend le gaz P déjà froid et amplifie cet abaissement de température. Le gaz P détendu et très froid pénètre dans l'échangeur du point froid (4) pour en ressortir à la température Tb, avec Tb Ta. TaTb donne l'ordre de grandeur du travail efficace de l'invention. Dans le mode ouvert le gaz P est relâché, ici en mode fermé il passe ensuite dans un échangeur (7) en contact avec l'unique source thermique où le gaz P se recharge en chaleur, puis recommence un cycle et entre dans le compresseur (1) à la température Ta de la source thermique. The primary circuit starts with a compressor (1), the gas P enters the compressor at a temperature Ta and then spring heated by the compression in the exchanger hot spot (2). The hot spot is a large heat exchanger whose compressor side end is the hot part, of almost constant temperature, while the near part of the turbine is a cold part, its temperature gradually decreases during startup until system stability. In the stable state the temperature of the gas before expansion is very much lower than Ta. In (3) an adiabatic turbine relaxes the already cold gas P and amplifies this lowering of temperature. The expanded and very cold gas P enters the exchanger of the cold point (4) to come out at the temperature Tb, with Tb Ta. TaTb gives the order of magnitude of the effective work of the invention. In the open mode, the gas P is released, here in closed mode it then passes into an exchanger (7) in contact with the only heat source where the gas P recharges into heat, then starts a cycle again and enters the compressor ( 1) at the temperature Ta of the thermal source.
Le circuit secondaire est constitué d'un système d'injection (6) qui gère le débit du fluide S très froid dans l'échangeur (2) du point chaud. Le fluide S refroidit le gaz P avant détente puis se charge de sa chaleur au fur et à mesure qu'il progresse, il fournit ensuite cette énergie, la différence d'enthalpie qu'il véhicule entre les deux échangeurs (2) et (4) au système (5) qui la transforme en énergie noble. A titre d'exemple non limitatif ce mécanisme peut être une turbine à vapeur, le fluide étant alors un gaz passant des états gazeux dans l'échangeur (2) à liquide dans l'échangeur (4). Les figures 2 et 3 proposent un type de réalisation de l'invention ayant ce choix là. Enfin le fluide S se refroidit dans l'échangeur (4) au contact du gaz P qui y est très froid, puis il recommence un cycle en étant pompé par le système d'injection (6) qui l'introduit dans l'échangeur (2). The secondary circuit consists of an injection system (6) which manages the flow rate of the very cold fluid S in the exchanger (2) of the hot spot. The fluid S cools the gas P before relaxation and then takes care of its heat as it progresses, it then provides this energy, the difference in enthalpy that it conveys between the two exchangers (2) and (4) ) to the system (5) which transforms it into noble energy. By way of nonlimiting example, this mechanism may be a steam turbine, the fluid then being a gas passing gaseous states in the exchanger (2) liquid in the exchanger (4). Figures 2 and 3 propose a type of embodiment of the invention having this choice there. Finally the fluid S cools in the exchanger (4) in contact with the gas P which is very cold there, then it starts a cycle again being pumped by the injection system (6) which introduces it into the exchanger ( 2).
En référence aux dessins 2 et 3 qui donnent deux configurations possibles de l'invention. Le dispositif comporte les deux circuits décrits ci dessus, le circuit primaire est composé des éléments 21, 22, 26, et 27 en mode ouvert soit 21, 22, 26, 27, et 33 en mode fermé, le circuit secondaire est composé des éléments 24, 23, 29, 30, et 28. Le circuit primaire commence avec le compresseur (21), le gaz P entré avec une 2870561 6 température Ta correspondant à l'unique source thermique, ressort échauffé par la compression adiabatique dans l'échangeur du point chaud (22). Le point chaud est un grand échangeur dont l'extrémité coté compresseur est la partie chaude de température quasi constante, alors que la partie proche de la turbine est une partie froide, sa température baisse progressivement durant le démarrage jusqu'à stabilité du système. A l'état stable la température du gaz P avant détente est très nettement inférieure à Ta. Ces contraintes thermiques font de l'échangeur (22) une pièce importante dans l'invention. Il doit favoriser les échanges thermiques entre les deux fluides des circuits primaire et secondaire tout en limitant les pertes thermiques, chaude et froide, de l'échangeur avec l'extérieur ainsi que les échanges internes entre les deux potentiels thermiques des mêmes fluides. Le gaz P ne doit être refroidit, dans l'absolu, que par le liquide S; de même dans l'échangeur du coté turbine à détente adiabatique le liquide S ne doit être réchauffé que par ses échanges thermiques avec le gaz P. Le but étant d'amplifier au maximum cette différence de potentiel thermique. En (26) la turbine adiabatique détend le gaz déjà froid et amplifie cet abaissement de température. Une faible part de l'énergie pneumatique du gaz est transformée par la turbine en énergie noble, la majeur partie servant à abaisser la température dans le processus adiabatique. Le gaz détendu et très froid pénètre dans l'échangeur du point froid (27), là il se charge de l'énergie thermique non transformée par la turbine à vapeur pour ressortir de l'échangeur (27) à la température Tb. Dans le mode fermé le gaz P froid passe ensuite dans un échangeur (33) en contact avec l'unique source thermique où il se recharge en chaleur, puis recommence un cycle et entre dans le compresseur (21). With reference to drawings 2 and 3 which give two possible configurations of the invention. The device comprises the two circuits described above, the primary circuit is composed of the elements 21, 22, 26, and 27 in open mode is 21, 22, 26, 27, and 33 in closed mode, the secondary circuit is composed of elements 24, 23, 29, 30, and 28. The primary circuit starts with the compressor (21), the gas P entered with a temperature Ta corresponding to the single heat source, spring heated by the adiabatic compression in the exchanger from the hot spot (22). The hot spot is a large heat exchanger whose end compressor side is the hot part of almost constant temperature, while the near part of the turbine is a cold part, its temperature gradually decreases during startup until system stability. In the stable state the temperature of the gas P before expansion is very much lower than Ta. These thermal stresses make the exchanger (22) an important part in the invention. It must promote heat exchange between the two fluids of the primary and secondary circuits while limiting heat losses, hot and cold, the heat exchanger with the outside and the internal exchanges between the two thermal potentials of the same fluids. The gas P must be cooled, in the absolute, only by the liquid S; Similarly in the exchanger on the adiabatic expansion turbine side, the liquid S must be reheated only by its heat exchange with the gas P. The aim is to amplify as much as possible this difference in thermal potential. In (26) the adiabatic turbine relaxes the already cold gas and amplifies this lowering of temperature. A small part of the pneumatic energy of the gas is transformed by the turbine into noble energy, the major part serving to lower the temperature in the adiabatic process. The expanded and very cold gas enters the exchanger of the cold point (27), there it takes charge of the thermal energy not transformed by the steam turbine to emerge from the exchanger (27) at the temperature Tb. In the closed mode the cold gas P then passes into a heat exchanger (33) in contact with the only heat source where it is recharged in heat, then starts a cycle again and enters the compressor (21).
Le circuit secondaire est constitué d'un injecteur/pompe (24) qui injecte le liquide S très froid dans le capteur/radiateur (23) de l'échangeur (22) du point chaud. Le liquide S refroidit le gaz P avant détente puis se charge de sa chaleur au fur et à mesure qu'il progresse, il se vaporise, par sa pression il active la turbine à vapeur (29) puis se condense via (30) et (28). Dans le capteur (28) de l'échangeur (27) du point froid le gaz S se condense puis prend une température très basse qui servira à amplifier le froid en aval de la turbine (26). L'injecteur (24) est commandé par un contrôleur (25) qui gère le débit du liquide S. Le but du contrôleur (25) est d'optimiser le débit afin de tirer le meilleur parti des écarts d'enthalpie mais aussi de les amplifier en abaissant la température du gaz avant sa détente adiabatique. Pour ce faire il utilise des capteurs propres au type d'asservissement désiré. Le plus simple est d'asservir l'injecteur sur le niveau du liquide S dans le capteur (23) de l'échangeur (22) du point chaud. Les points chaud et froid sont isolés par des compartiments isolants (31) et (32). The secondary circuit consists of an injector / pump (24) which injects the very cold liquid S into the sensor / radiator (23) of the exchanger (22) of the hot spot. The liquid S cools the gas P before expansion and then takes care of its heat as it progresses, it vaporizes, by its pressure it activates the steam turbine (29) and then condenses via (30) and ( 28). In the sensor (28) of the exchanger (27) of the cold point the gas S condenses and then takes a very low temperature which will be used to amplify the cold downstream of the turbine (26). The injector (24) is controlled by a controller (25) which controls the flow of the liquid S. The purpose of the controller (25) is to optimize the flow in order to make the most of the enthalpy differences but also the amplify by lowering the temperature of the gas before adiabatic expansion. To do this it uses sensors specific to the desired servo type. The simplest is to enslave the injector on the level of the liquid S in the sensor (23) of the exchanger (22) of the hot spot. The hot and cold spots are insulated by insulating compartments (31) and (32).
Au démarrage nous fournissons de l'énergie noble au mécanisme pour activer le compresseur (1) et le système d'injection (6). Le compresseur (1) accroît la température et la pression du point chaud (2), la température avant détente diminue progressivement avec celle du point froid par le mécanisme d'amplification du froid. At startup we provide noble energy to the mechanism to activate the compressor (1) and the injection system (6). The compressor (1) increases the temperature and the pressure of the hot point (2), the temperature before relaxation decreases gradually with that of the cold point by the mechanism of amplification of the cold.
Plus la différence d'enthalpie du fluide S entre les échangeurs (2) et (4) augmente plus le mécanisme convertissant cette différence d'enthalpie en énergie noble fournit d'énergie. A partir d'un certain seuil de température la turbine à vapeur, pour prendre cet exemple, fournit plus d'énergie que le compresseur et l'injecteur n'en consomment, le mécanisme entre dans son état efficace. Les rendements de machines telles que les turbines à vapeur étant très faibles, ils avoisinent couramment les 0.3, l'invention nécessite une très importante amplification de l'abaissement en température comparée à l'amplification par compression pour pouvoir entrer dans l'état où elle devient efficace. Cette contrainte dépend du choix de fluide et de ses conditions de travail, dans les conditions de climat tempéré ou froid l'éthane est un bon candidat possible à cette fonction pour les raisons exposées précédemment. The greater the enthalpy difference of the fluid S between the exchangers (2) and (4) increases the more the mechanism converting this enthalpy difference into noble energy provides energy. From a certain temperature threshold the steam turbine, to take this example, provides more energy than the compressor and the injector consumes, the mechanism enters its effective state. Since the yields of machines such as steam turbines are very low, they are commonly around 0.3, the invention requires a very significant amplification of the temperature reduction compared to the compression amplification to be able to enter the state where it becomes effective. This constraint depends on the choice of fluid and its working conditions, in the conditions of temperate or cold climate ethane is a good candidate for this function for the reasons outlined above.
Selon des modes particuliers si l'efficacité du mécanisme n'était pas suffisante ou pour avoir une énergie impulsionnelle plus importante, pour un moteur de voiture par exemple, il serait opportun d'ajouter un apport en énergie, tel qu'un brûleur. Il s'en suivrait des modifications du circuit secondaire au niveau du/des condensateur et de l'élément convertissant la différence d'enthalpie en énergie noble, la turbine à vapeur pour les figures 2 et 3. According to particular modes if the effectiveness of the mechanism was not sufficient or to have a higher impulse energy, for a car engine for example, it would be appropriate to add a supply of energy, such as a burner. It would follow modifications of the secondary circuit at the / of the capacitor and the element converting the difference of enthalpy into noble energy, the steam turbine for Figures 2 and 3.
Selon des variantes non illustrées, l'invention peut être équipée d'éléments permettant la transformation d'une variation d'enthalpie en énergie noble autres qu'une turbine à vapeur proposée dans les schémas. Les changements d'état liquide-vapeur peuvent alors ne plus être nécessaire au mécanisme. Ces éléments peuvent aussi être des mécanismes plus complexes optimisant les turbines à vapeur, il est à noter que l'art de la technique actuelle dispose d'un savoir faire très important dans ce domaine. According to non-illustrated variants, the invention may be equipped with elements allowing the transformation of an enthalpy variation into noble energy other than a steam turbine proposed in the diagrams. Changes in the liquid-vapor state may then no longer be necessary for the mechanism. These elements can also be more complex mechanisms optimizing steam turbines, it should be noted that the art of the current technique has a very important know-how in this field.
Selon des variantes non illustrées le mécanisme peut disposer d'apport énergétique supplémentaires. A titre d'exemple non limitatif, on peut citer un apport thermique par capteur solaire, par brûleur, ou encore par une source thermale. According to variants not illustrated, the mechanism may have additional energy input. By way of non-limiting example, mention may be made of a heat input by solar collector, by burner, or by a thermal source.
Selon une variante non illustrée, il est possible que la fonction de compression fasse partie d'un mécanisme extérieur fournissant un gaz pressurisé, c'est typiquement le cas lors d'une détente pseudo-isotherme. Le mécanisme peut ne pas comporter de compresseur. According to a variant not shown, it is possible that the compression function is part of an external mechanism providing a pressurized gas, it is typically the case during a pseudo-isothermal expansion. The mechanism may not include a compressor.
Selon des variantes non illustrées le mécanisme peut ne pas utiliser de turbine à détente adiabatique. Cet élément rapporte peu d'énergie, donc tout mécanisme réalisant une détente adiabatique est possible. A titre d'exemple non limitatif d'autres solutions sont possibles nous pouvons citer, une turbine convertissant l'énergie pneumatique directement en énergie mécanique. La détente entraînerait un compresseur en amont du point chaud, ou fournirait l'énergie mécanique à l'injecteur. According to non-illustrated variants, the mechanism may not use an adiabatic expansion turbine. This element yields little energy, so any mechanism that achieves adiabatic relaxation is possible. By way of nonlimiting example of other solutions are possible, we can mention, a turbine converting the pneumatic energy directly into mechanical energy. The trigger would cause a compressor upstream of the hot spot, or provide mechanical energy to the injector.
Selon des variantes non illustrées, le type de fluide S utilisé par la turbine à vapeur ou son mécanisme équivalent est laissé au libre choix de l'utilisateur. Dans le cas d'une turbine à vapeur la nature du gaz S utilisé changera selon la température obtenue après détente, elle varie en fonction du taux de compression du gaz. Ainsi le gaz S fournissant le meilleur rendement à la turbine à vapeur dans un contexte donné, avec un certain taux de compression, ne sera peut être pas le même pour un taux différent. Dans la pratique les caractéristiques du gaz S choisi détermineront le taux de compression optimal et réciproquement. According to non-illustrated variants, the type of fluid S used by the steam turbine or its equivalent mechanism is left to the free choice of the user. In the case of a steam turbine, the nature of the gas S used will vary according to the temperature obtained after expansion, it varies according to the compression ratio of the gas. Thus the gas S providing the best efficiency to the steam turbine in a given context, with a certain compression ratio, may not be the same for a different rate. In practice, the characteristics of the gas S chosen will determine the optimum compression ratio and vice versa.
Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer de mécanismes permettant aux éléments consommateurs de prélever directement l'énergie nécessaire à leur fonction sur les éléments producteurs. De tels dispositifs sont très intéressants, ils permettent de faire croître l'efficacité du mécanisme en réduisant les pertes dues aux conversions d'énergie inutiles. Par exemple nous gagnerons à remplacer une cascade de conversions énergie mécanique-électrique coté consommateur puis énergie électrique-mécanique coté consommateur par une liaison mécanique transmettant un couple entre un élément productif et un élément consommateur. According to non-illustrated variants, the invention may have mechanisms enabling the consumer elements to directly take the energy necessary for their function on the producing elements. Such devices are very interesting, they allow to increase the efficiency of the mechanism by reducing the losses due to unnecessary energy conversions. For example, we will succeed in replacing a cascade of conversions between mechanical and electrical energy on the consumer side and then electrical-mechanical energy on the consumer side by a mechanical link transmitting a couple between a productive element and a consumer element.
Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer de mécanisme propre au démarrage. A titre d'exemple non limitatif, il peut s'agir d'un moteur fournissant l'énergie mécanique nécessaire à un ou plusieurs éléments consommateurs. According to non-illustrated variants, the invention may have a mechanism specific to starting. By way of non-limiting example, it may be a motor providing the mechanical energy required for one or more consumer elements.
Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer d'éléments isolants autres que ceux proposés ou agencés différemment. According to non-illustrated variants the invention may have insulating elements other than those proposed or arranged differently.
Selon des variantes non illustrées l'invention peut avoir ses éléments orientés différemment, à titre d'exemple non limitatif, il pourrait être choisi d'orienter les éléments de sorte à favoriser l'écoulement naturel des fluides, les parties chaudes vers le haut et froides vers le bas. According to non-illustrated variants the invention may have its elements oriented differently, by way of non-limiting example, it could be chosen to orient the elements so as to promote the natural flow of fluids, the hot parts upwards and cold down.
Selon des variantes non illustrées l'invention peut être agencée différemment, par exemple les deux échangeurs peuvent être juxtaposés et non dans le prolongement l'un de l'autre... According to non-illustrated variants the invention can be arranged differently, for example the two exchangers can be juxtaposed and not in the extension of one another ...
2870561 9 Le mécanisme selon l'invention est particulièrement destiné aux fonctions de type moteur et générateur, mais également à toutes celles qui manipulent l'énergie thermique telles que les systèmes de climatisation, de recyclage thermique, mais aussi les processus de détente de gaz. L'invention génère une énergie supérieure à une détente isotherme, elle sera donc utile pour ce type de mécanisme jusqu'ici sans solution industrielle. L'invention favorisera le stockage d'énergie sous forme thermique, compte tenu qu'elle offre un moyen simple de conversion inverse. The mechanism according to the invention is particularly intended for the functions of engine and generator type, but also for all those that handle thermal energy such as air conditioning systems, thermal recycling, but also gas expansion processes. The invention generates an energy higher than an isothermal expansion, it will therefore be useful for this type of mechanism so far without industrial solution. The invention will promote the storage of energy in thermal form, given that it offers a simple means of inverse conversion.
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