Pour l'instant, telles que fonctionnent nos économies, le pétrole est indispensable comme source d'énergie.
Et pourtant, il arrivera un temps où il sera épuisé et où il faudra s'en passer et trouver d'autres sources d'énergie à un coût raisonnable et en abondance.
L'utilisation d'autres sources d'énergie peut aussi augmenter la durée de vie du pétrole afin de l'utiliser pour des usages plus nobles que la combustion.


Nouveau moteur thermique ne consommant pas de carburant
mû par une source chaude et une source froide
et
nouveau moyen de production d'électricité






   Les pompes à chaleur extraient de l'énergie de l'environnement. Mais ces machines nécessitent pour leur fonctionnement une quantité d'énergie non négligeable provenant souvent d'un réseau électrique.

   Les moteurs Stirling sont des moteurs thermiques qui fonctionnent avec une différence de température entre deux fluides.
   Mais pour obtenir un fonctionnement efficace, cette différence de température doit être élevée ainsi que la pression dans le moteur, de l'ordre de 150 bar, d'où la nécessité de mettre en uvre des technologies coûteuses.



   Le nouveau moteur thermique produit de l'énergie au lieu d'en consommer et il fonctionne avec de fortes comme avec de faibles différences de température et de faibles pressions.

L'enceinte étanche contient ici un fluide qui se dilate et se contracte alternativement selon que le fluide qui l'enveloppe est plus chaud puis plus froid que le fluide précédent fourni alternativement par le distributeur d'entrée.

   Ces fluides à différentes températures peuvent être, dans la version de base, d'une part l'air ambiant chauffé par des panneaux solaires thermiques et d'autre part l'air à température quasi constante fourni par un puits provençal (ou puits canadien).

   Un puits provençal produit de l'air à une température qui varie environ de 10°C à 15°C au cours de l'année si les conduits sont enterrés à 1,5 ou 2 mètres de profondeur minimum.
   Il s'agit ici de géothermie donc d'énergie pratiquement inépuisable à l'échelle humaine.

On peut utiliser l'air dans l'échangeur mais aussi l'eau, la vapeur ou un fluide spécifique.

   Le piston va se déplacer relativement lentement mais les hélices des grandes éoliennes aussi tournent lentement (de l'ordre de 15 tr/mn) et pourtant elles produisent de l'électricité grâce à un train de roues dentées qui augmentent la vitesse de rotation qui entraîne l'alternateur.
L'animation ci-contre tourne à 15 tours par minute. On constate que les échanges thermiques ont le temps de se faire.

Avec l'emploi d'un multiplicateur, on peut transformer
la puissance à vitesse lente et à un couple élevé, produite par le piston, en
une puissance à grande vitesse et à un couple bas utilisée par l'alternateur.
   Il faut se rappeler que, par exemple, le rendement mécanique du train de roues dentées d'une grande éolienne est de 97 ou 98%.

Exemple de multiplicateur ayant un rendement de 98% : ICI

   Donc la vitesse de rotation n'est pas un inconvénient, il suffit d'obtenir un couple suffisant pour que l'ensemble soit efficace.


   Plusieurs types de distributeurs sont possibles, par exemple par tiroir ou par disque rotatif ou par soupapes ou par électrovannes.....
   Modèle d'échangeur plus efficace.

Avec un échangeur à plaques séparées par des joints souples, le chaud et le froid alternés à grande vitesse doivent être supportables.

Exemples de plaques

Exemple de pression:

pour 0,1 kg/cm (~0,1 bar), sur un piston de 16 cm de diamètre (~200 cm),
la force exercée est de 20 kg
sur une face avec un piston simple effet et un seul échangeur.

La plupart des échangeurs à plaques peuvent supporter une pression de plusieurs dizaines de bars en continu.

Il est aussi possible d'utiliser des échangeurs à tubes qui peuvent être améliorés par des tubes ovales.



AMÉLIORATION:
Sous cette forme, au moins un des fluides traverse une chambre de compression où il est mis en pression par une pompe ou une turbine ou un compresseur ou tout autre moyen produisant le même effet de telle manière que lorsque le distributeur d'entrée libère le passage d'un fluide, ce fluide est injecté sous pression dans le premier milieu de l'échangeur thermique ce qui permet un échange thermique avec un plus grand volume de fluide et avec un passage plus rapide.
Lorsque le fluide en question est un liquide, il ne peut pas être compressé, la chambre de compression comporte alors une partie déformable par une variation de la pression ou un volume annexe étanche qui, lui, peut être comprimé.
Des formes particulières des conduits des fluides ou la sortie de la chambre de compression peuvent aussi participer à la mise sous pression du fluide avant son entrée dans l'échangeur.

Compresser et détendre des gaz va changer leur température à un moment donné mais globalement le résultat de ces deux opérations sera quasiment nul quant à la variation de température des gaz.
Piston à double effet.

   En disposant deux échangeurs, on peut améliorer le fonctionnement par l'action simultanée sur les deux faces du piston qui est "tiré" et poussé.

Un fonctionnement détaillé est présenté plus bas.


Panneau solaire thermique tout simple, peu couteux à réaliser, de l'air circulant entre un fond noir isolé, en tôle emboutie et découpée pour obtenir une grande surface de contact avec l'air, et un double vitrage.
Les bons panneaux de ce type atteignent un rendement de 80%. Sans tenir compte, ici, de la ventilation qui ne représente que quelques dizaines de watts.
Un panneau de 10m peut fournir
12.000 kwh / an soit plus de 32 kWh (en moyenne) pour chacun des 365 jours de l'année.

Il est aussi possible d'utiliser des capteurs à tubes sous vide avec transfert à un liquide, plus chers, plus complexes mais permettant d'augmenter encore la température de plusieurs dizaines de degrés.

Surtout efficace en été pour créer le fluide chaud, le fluide "froid" étant alors l'air sortant du puits provençal à 13 ou 15°C.

En hiver, ces 13°C font de cet air la source chaude par rapport à un air ambiant à 0°C.
En hiver, on peut aussi conduire l'air du puits provençal à travers le panneau solaire pour augmenter sa température, même faiblement, avant de l'injecter dans l'échangeur.

Ces changements peuvent se faire automatiquement avec des thermocontacts et des électrovannes.



En comparant aux périodes de plein fonctionnement d'une éolienne ou de panneaux photovoltaïques, il semble que cette machine devrait fonctionner plus longtemps et donc fournir plus d'électricité sur 24 heures et 365 jours pour un investissement moindre à puissance égale.


          Comparaison avec la production d'électricité moyenne en France par des          

panneaux photovoltaïques

qui est de:    
103 kWh/an/m    soit 0,282 kWh / jour / m


"Dimensionnement du puits canadien" et puissance à voir ici en page 8:

834 kWh / an  récupérés pour la période de chauffage de 6 mois pour un tube de Ø100 mm et 50 m de long à 2 m de profondeur.

Pour 10 tubes et pour un an, l'énergie thermique échangée est de
834 x 2 x 10 = ±16.000 kWh soit près de 44 kWh pour chacun des 365 jours de l'année.

Etant entendu qu'en été le puits absorbe de l'énergie en tant que source froide mais pour le moteur thermique il s'agit toujours d'un échange thermique avec production d'énergie quel que soit le sens de l'échange dans le puits. Et pour le puits, il se "recharge" pour l'hiver, il stocke des calories.
Et le puits fonctionne même lorsqu'on dispose les gaines sous un bâtiment, avant sa construction.

Des entreprises garantissent les puits provençaux 50 ans, il n'y a pas de raison pour qu'ils ne durent pas plus longtemps.

Puits provençal + panneau thermique de 10 m =
16.000 kWh + 12.000 kWh = 28.000 kWh/an
soit 76 kWh / jour

Pour être au niveau de production moyenne en France d'énergie électrique de
10 m de panneaux photovoltaïques (2,825 kWh/jour, 1.031 kWh/an),
il faudrait que le moteur thermique ait un rendement de 3,72% (x 1,05 pour tenir compte d'un rendement de 95% du générateur électrique) = 3,9%

On peut faire nettement mieux.

Déjà un rendement électrique de 10% permet
7,6 kWh / jour  (2.800 kWh/an)  (pour 10m de panneaux)

ET il reste 68 kWh / jour   d'énergie thermique, utilisables pour un autre usage.

           En cogénération, avec récupération du fluide tiède (40 à 60°C) en sortie,           
pour le chauffage par le sol et/ou l'eau chaude sanitaire
ou une utilisation industrielle,
que ce soit directement, par un échangeur ou par une pompe à chaleur,
on peut espérer un rendement global avoisinant les 90%.

Bien qu'il soit plus juste de parler d'efficacité plutôt que de rendement.





En reprenant l'exemple d'un piston de Ø 16cm et une course de 16cm:


V1/T1 = V3/T3
V = volume en dm³ ou en litres
T = température en degrés Kelvin (15°C = 288 K et 100°C = 373 K)
V3 = V1 T3/T1
V3 = V1 + V2
V2 = 0,8 dm x 0,8 x 3,14 x 1,6 = 3,2 dm³ (ou litres)
T3/T1 = 373/288 = 1,3
1,3V1 - V1 = 3,2 dm³
V1 = 3,2/0,3 = 10,8 dm³
V3 = 10,8 + 3,2 = 14 dm³ (Les valeurs sont arrondies)






A   Au repos les pressions identiques de 1 bar à l'intérieur et à l'extérieur s'équilibrent.

B    A volume identique, en chauffant V1 de 15°C à 100°C,
la pression passe de 1 bar à 1,3 bar.
La force exercée sur la face du cylindre est donc:
8cm x 8 x 3,14 = 200 cm x 1,3 kg/cm = 260 kg
Sur l'autre face, le piston supporte la pression atmosphérique de 1 bar soit une force de:
200 cm x 1 kg/cm = 200 kg
La résultante est une force de 60 kg (260 - 200) sur la face intérieure du piston.

C    Lorsque le piston s'est déplacé jusqu'en bout de course, à température constante, avec un volume plus grand, la pression est descendue à 1 bar et il y a équilibre avec la pression atmosphérique.
Le piston n'est plus poussé.

D    A volume identique, en refroidissant de 100°C à 15°C,
la pression passe de 1 bar à 0,77 bar
La force intérieure est de:
200 cm x 0,77 kg/cm = 154 kg
La force extérieure étant inchangée, 200 kg, le piston revient à sa place initiale,
poussé par une force de 46 kg (200 - 154).

Les forces sont différentes mais on voit que le piston travaille dans les deux sens.

Présentation volontairement simplifiée car la température du gaz ne passe pas instantanément par exemple de 15°C à 100°C bien que cette opération puisse être très rapide entre les plaques.
Dans cette utilisation particulière, la nature des plaques, leur surface, leur épaisseur sont à étudier avec plus d'attention que pour une utilisation conventionnelle d'un échangeur thermique en continu. Le cuivre (cupronickel) donnera la meilleure conductivité thermique.

Si on se passe du puits provençal, il faut augmenter la surface des panneaux solaires thermiques ou apporter de l'énergie thermique par un autre moyen pour disposer de suffisamment d'énergie à convertir.
Force exercée sur le piston avec cette configuration et une différence de température de
70°C (100°C - 30°C en été ou 70°C - 0°C en hiver) soit 373 K/303 K = 1,24 en moyenne
-> différence de pression avec l'extérieur de 0,24 kg/cm (1,24 - 1):
200 cm x 0,24 kg/cm = 48 kg
et force de retour avec 0,81 kg/cm soit une différence de pression avec l'extérieur (qui est à 1 kg/cm) de 1 - 0,81 = 0,19 kg/cm:
200 cm x 0,19 kg/cm = 38 kg




          On peut prévoir d'associer ce dispositif à un véhicule hybride pour extraire de la chaleur du circuit de refroidissement du moteur à explosion et/ou de son circuit d'échappement et la transformer en électricité
pour recharger au moins partiellement la batterie de traction du véhicule,
le refroidissement se faisant par l'air ambiant.
La consommation de carburant peut être ainsi diminuée.

Exemple: pour une voiture consommant 7 l/100 d'essence et ayant un rendement moyen de 20%, 1,4 l d'essence est utilisé pour la propulsion, 5,6 l (7 - 1,4) partent en chaleur.
Pour des gaz d'échappement de 400 à 600°C, les gaz récupérés sont à 450°C,
le rendement de la machine de récupération thermique est alors élevé, surtout si la température des gaz d'échappement baisse suffisamment car l'humidité présente sous forme de vapeur cède alors toute son énergie thermique,
- un rendement de 40% permet une économie de 5,6 x 40% = 2,24 ~ 2 l/100 km,
à condition d'utiliser suffisamment le moteur électrique pour consommer au fur et à mesure l'énergie électrique provenant de la conversion de l'énergie thermique récupérée.

Autres avantages:
- pour un moteur diesel, réduire la température des gaz d'échappement réduit la formation des oxydes dazote,
- possibilité d'entrer plus facilement dans les normes antipollution de plus en plus sévères,
- disposer d'énergie électrique en continu permet de réduire la taille de la batterie de traction coûteuse et lourde,
- une économie de 2 l/100 km correspond à 15 kW électrique (~20 ch) de puissance en plus avec plus de couple à bas régime, grâce au moteur électrique, pour seconder le moteur à explosion, plus de souplesse et d'efficacité, moins de changements de vitesse à bas régime pendant la conduite.



Exemple avec un piston à double effet,
même installation et un deuxième échangeur:


E   Au repos les pressions identiques à l'intérieur de chaque échangeur s'équilibrent.
200 cm x 0,885 kg/cm = 177 kg

F   Le chauffage d'un côté du piston entraîne son déplacement vers le côté froid, avec une force réduite puisque au départ le volume côté chaud est déjà "dilaté".

G   Arrivé en bout de course, les pressions sont égales de chaque côté du piston qui se trouve dans un temps de repos qui ne durera pas puisqu'à ce moment le côté froid est chauffé et la pression augmente (situation de H).


H   Après le démarrage, le fonctionnement commence réellement ici avec les forces en présence effectives en utilisation, 260 kg - 154 kg =
106 kg appliquées au piston dans chaque sens (force maxi mais non continue, la force croît jusqu'à 106 kg puis décroît jusqu'à 0 kg puis de 106 kg à 0 kg dans l'autre sens).

Comme on applique une avance pour les moteurs à explosion, il sera utile ici d'appliquer une avance sur les changements de températures par le distributeur avant que le piston arrive en fin de course pour qu'il y ait moins de temps de réaction à repartir dans l'autre sens avec plus de force.

On peut aussi prévoir des clapets en bout de cylindre pour réguler les changements de pression bien que ça complique le dispositif.


On constate que ce moteur fonctionne à basse température et à basse pression si on compare par exemple à un moteur Stirling.
Ce qui implique une technologie simplifiée.



La puissance du moteur:
En s'en tenant à des valeurs de base réduites: piston Ø 16 cm, course 16 cm(0,16 m),
vitesse de rotation du moteur: 100 tr/mn,  pression 0,3 kg/cm
différence de température entre chaud et froid 85°C
Puissance d'un tel moteur:
C = F x l = 201 cm x 0,3 kg/cm x 0,16/2 m = 4,82 m.kg
P(ch) = C(m.kg) x w(tr/mn) /716 = 4,82 m.kg x 100 tr/mn /716
P = 0,67 ch   = 0,49 kW

En choisissant un piston de Ø 50 cm, course 16 cm(0,16 m),
vitesse de rotation du moteur: 200 tr/mn,  pression 0,3 kg/cm
différence de température entre chaud et froid 85°C
Puissance d'un tel moteur:
C = F x l = 1.963,5 cm x 0,3 kg/cm x 0,16/2 m = 47 m.kg
P(ch) = C(m.kg) x w(tr/mn) /716 = 47 m.kg x 200 tr/mn /716
P = 13 ch   = 9,6 kW
Avec 2 échangeurs la puissance serait multipliée par 2 en multipliant la force et le couple par 2.

Il faut bien-sûr que la taille des capteurs (solaires et puits) soit suffisante et la puissance maxi peut n'être que ponctuelle dans de bonnes conditions d'ensoleillement si le moteur fonctionne à la limite de la possibilité des capteurs, en tenant compte du rendement.

Il s'agit là de configurations chez des particuliers.

A l'échelle industrielle...

    Imaginons un hypermarché de 20.000 m, comme il en existe, couvert de panneaux solaires thermiques, ordre de grandeur de la puissance maximum de l'installation:
20.000 m x 1 kW/m x 0,8 (rendement panneaux 80%) x 0,1 (rendement machine 10%) =
        1.600 kW  (1,6 MW) électriques à la mi-journée, en heures pleines,
                        et il reste 14.400 kW  (14,4 MW) thermiques utilisables en cogénération (chauffage urbain, réinjection dans la machine à un autre niveau de température, réinjection dans les capteurs, froid industriel.
              Ici aussi on peut soit refroidir à l'air ambiant soit installer sous le parc de stationnement un puits provençal de bonne taille qui augmente le rendement, et aussi, permet à l'ensemble de fournir plus d'énergie.

.
                Associé à la géothermie profonde:
                                  jusqu'à 150°C et plus



Sans source d'énergie fossile, il est possible de disposer d'autant d'énergie électrique et thermique que nécessaire avec seulement les deux sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine, la géothermie et le solaire.

Dans ce cas de figure, entre 15°C et 120°C, le rendement théorique est de 24% pour la production d'électricité, auquel s'ajoute la récupération d'énergie thermique en cogénération.

Voici une des dispositions possibles en utilisation collective:

1 Un moyen de pompage
2 fait monter de l'eau chaude d'une nappe souterraine par un premier forage
3 qui, en option, passe à travers un panneau solaire thermique
4 et alimente le dispositif
5 la source froide peut être un puits provençal (géothermie) ou l'air ambiant ou une autre source,
6 l'électricité est produite par un générateur électrique,
7 elle est conduite par un réseau électrique
8 pour alimenter des bâtiments d'habitation ou autre en utilisation classique,
+ recharge des voitures électriques (14).
9 à la sortie du dispositif (4), l'eau est à environ 50°C ce qui permet par échangeur thermique global ou multiple (un par bâtiment) de fournir l'eau chaude sanitaire entre 40 et 50°C en plus du chauffage.
10 l'eau froide retourne dans la nappe pour se réchauffer à nouveau
11 par un deuxième forage.
12 On peut éventuellement récupérer au moins une partie de l'eau sortante
13 pour en extraire encore de l'énergie thermique par une Pompe à chaleur (PAC qui consomme de l'électricité alors que le dispositif (4) en produit).

Energie électrique + énergie thermique  24h/24  365jours/an


          Exemple de représentation parmi d'autres possibilités:
- vitesse prévue: 100 tr/mn ­(des vitesses diférentes sont possibles, il faut choisir la vitesse de rotation la plus adaptée en fonction des matériaux employés, de la vitesse de transfert thermique et des fluides, particulièrement dans l'enceinte close)
- Ø du piston: 16 cm (0,16 m)
- course: 16 cm (0,16 m)
- distributeur par disque
- dimension des plaques (arbitrairement): 0,45 cm x 60 cm (0,6 m)
- course du piston B en 0,3 s soit 0,16 m / 0,3 s = 0,533 m/s = 1,92 km/h
- épaisseur du distributeur: 10 cm (0,1 m)
- vitesse de déplacement du fluide (chaud ou froid) entre plaques: A = 0,55 m en 0,3 s
     0,45 m + 0,1 m / 0,3 s = 1,83 m/s = 6,6 km/h
     C'est la vitesse minimum de circulation, une plus grande vitesse permet plus d'échanges entre le fuide et les plaques.

Le fluide chaud est ici de l'air bien que la vapeur soit bien plus efficace même à relativement basse température, après avoir fait tourner une turbine, grâce au fonctionnement de la machine même avec une faible différence de température.
Le fluide Chaud est représenté en rose pour permettre son identification par rapport à l'enceinte étanche; pour être exacte, il faudrait tout représenter en rouge

Le disque du distributeur est représenté en position extrème bien que sa position soit à déterminer en fonction de l'avance à donner par rapport aux positions extrêmes du piston.

Le disque du distributeur et le moteur tournent à la même vitesse.

Si le disque a une commande électrique non liée directement au moteur, c'est la vitesse du disque qui détermine la vitesse du moteur jusqu'à la vitesse maxi que peut atteindre le moteur.

L'extracteur n'est pas indispensable mais il améliore le fonctionnement.

Les dimensions de la machine représentent un ordre de grandeur. D'autres dispositions des éléments permettraient un volume plus restreint.
Par exemple, le cylindre et le piston peuvent être en grande partie insérés dans l'échangeur avec des plaques de forme adaptée.

















             La structure de maintient des plaques n'est pas représentée.
Dans cette configuration, le disque du distributeur est ouvert sur 90° pour laisser passer les fluides chaud et froid alternativement.
A première vue on pourrait penser que la distribution va s'opérer selon les figures 1, 2, 3 et 4 avec des temps morts importants en 2 et 4 qui supprimeraient, la moitié du temps, l'action des fluides.
En réalité, comme il est montré par les figures 5 à 9 pour le côté chaud, chaque fluide est introduit, au moins partiellement, pendant presque 270° de rotation du disque.

Pour que l'efficacité du passage d'un fluide soit au maximum, il faut trouver, selon chaque machine, un compromis entre la pression exercée par le compresseur (et sa consommation d'énergie) et l'efficacité globale observée.





Produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire c'est participer à la lutte contre le réchauffement climatique:
- à la fois parce qu'on prélève de la chaleur pour la transformer en électricité,         
- et parce que cette électricité n'ajoute pas de chaleur provenant d'un hydrocarbure
ni de gaz à effet de serre pour être produite.


Pouvoir disposer de beaucoup d'énergie à bas prix c'est l'avenir non seulement pour le transport, pour notre confort et pour toutes les utilisations que nous connaissons
... mais aussi ...
pour d'autres applications nouvelles, d'avenir, par exemple pour fournir de l'eau douce, la transporter, la produire à partir de l'eau de mer...
Voir ICI l'exemple de cet essai de bâchage d'un glacier pour conserver la glace et la réserve en eau qu'elle représente.

Comparaison et différences avec un moteur Stirling
Fonctionnement des deux moteurs par gaz chauds (et froids),                         
Possibilité de fonctionner en cogénération, production d'électricité + chauffage

Moteur STIRLING

     
Nouveau moteur

- fonctionnement à haute température, 700°C et plus pour une utilisation "industrielle" et pas
seulement comme jouet,


- pour le chauffage solaire, nécessité de concentrer les rayons par des miroirs ou une parabole,





- fonctionnement à pression élevée (autour de 150 bar),

- moteur à 4 phases de fonctionnement ou 4 temps dont 1 seul est moteur,

- surfaces de contact de chauffage et refroidissement limitées aux surfaces des cylindres et
des pistons,

- rendement: jusqu'à 40% à 700°C

- relativement complexe et coûteux à réaliser,


- versions avec chauffage par hydrocarbures ou dérivés de végétaux.



- coût d'investissement estimé entre 10 à 14 €/We
- basse température, opérationnel avec moins de 100°C de différence de température.
(la chaleur extraite du circuit de refroidissement d'un moteur à explosion et/ou de son circuit
d'échappement, peut être utilisée comme source de chaleur),

- le capteur solaire est très simple; l'utilisation d'une parabole est possible, en multipliant
la puissance disponible; exemple, toujours avec un piston de Ø 16cm soit ~ 200cm:
Température de 15 à 100°C -> 373/288 K = 1,3 0,3 kg/cm x 200cm = force utile de 60 kg
Température de 15 à 400°C -> 673/288 K = 2,33 1,33 kg/cm x 200 cm = force de 266 kg
Température de 15 à 700°C -> 973/288 K = 3,37 2,37 kg/cm x 200 cm = force de 474 kg

- fonctionnement à faible pression, quelques dixièmes de bar, jusqu'à 2,5 bar maxi avec une parabole
- moteur à 2 phases de fonctionnement ou 2 temps, les 2 temps sont moteurs,

- avec le même moteur, l'échangeur thermique permet des surfaces de contact et d'échanges thermiques
énormément plus grandes et plus efficaces que seulement la surface du cylindre et du piston,

- rendement en fonction de l'utilisation,de 15 à 40% et plus

- simple à réaliser, même l'échangeur fait partie des productions industrielles courantes,

- possibilités de chauffage aux hydrocarbures ou sans hydrocarbures avec des énergies renouvelables
sans pollution,

- possibilité d'alimentation par géothermie profonde (nappes d'eaux chaudes).

- le coût d'investissement estimé devrait être inférieur à 1 €/We



Le rendement électrique global:

Pour augmenter le rendement électrique de la machine on peut récupérer, au moins une fois, une partie du fluide tiède sortant de la machine après le passage dans les échangeurs pour en tirer une partie de l'énergie thermique qui n'a pas été exploitée.

A la sortie du dispositif (1) une partie du fluide sortant est réparti en (4) récupérée et accélérée éventuellement par une pompe (3) puis passe dans le moyen de chauffage qui est ici un panneau solaire thermique (2) avant de revenir dans le dispositif (1) à une température croissante au fur et à mesure du fonctionnement.








On peut aussi alimenter le circuit chaud uniquement en sélectionnant le fluide sortant quand il est le plus chaud grâce au répartiteur en position (7) ce qui va augmenter sa température de plusieurs dizaines de degrés en (9) et donc la différence de température avec le fluide froid (10) dont la température ne change pas.
Le fluide chaud (6) qui est prélevé dans le laps de temps (z) peut être temporairement stocké dans un réservoir comme (5) afin de disposer de ce fluide en permanence.
La partie restante du fluide évacuée lorsque le répartiteur est en position (8) pouvant être, ici aussi, exploitée en cogénération.









Le diagramme de la température en fonction du temps montre le passage dans l'échangeur thermique du fluide chaud (a) dans les intervalles (A), (C) et (E), du fluide froid dans les intervalles (B) et (D).
(b) = variation de la température du fuide moteur fournie par l'enceinte étanche.
(x) et (y) sont des lignes de référence depuis le démarrage du moteur.
(c) = variation de la température du fluide sortant.
(d) et (e) montrent l'augmentation de la température du fluide chaud depuis le démarrage jusqu'à l'obtention d'un équilibre thermique ultérieur.
(f) = passage du fluide froid, ici de l'air ambiant.
(z) = laps de temps où le fluide chaud sortant est récupéré.





        Echangeurs thermiques à 3 milieux (3 circuits distincts)
Le Principe: Le fluide chaud ne se mélange pas au fluide froid ce qui permet d'utiliser 2 fluides différents par exemple de la vapeur et de l'air et de réaliser un circuit fermé au moins pour le fluide chaud dont on peut ainsi récupérer une partie de l'énergie thermique en sortie du dispositif et la ré-injecter par l'entrée du circuit chaud, après avoir à nouveau chauffé ce fluide.
C'est l'équivalent de la régénération dans d'autres moteurs.

Plus haut dans la page il est indiqué un autre type de régénération dans lequel les deux fluides se mélangent dans un même circuit.

Le distributeur d'entrée (1) équipé ici de soupapes (2) permet soit de chauffer l'enceinte (3) par le passage du fluide chaud en (4) soit de la refroidir par le passage du fluide froid en (5).




Avec, ici, l'exemple d'un échangeur thermique à plaque, l'efficacité est augmentée par un nombre important de plaques et il est possible de disposer d'au moins un circuit fermé pour les fluides, ici le chaud.
Ici aussi la représentation est schématique, en général l'arrivée et le départ des fluides se font à travers les plaques dans ce type d'échangeur.

Autre utilisation de la machine:


associée au fonctionnement d'une centrale nucléaire

                                                     
          La possibilité de fonctionner et d'avoir un rendement suffisant à "faible" différence de température peut permettre de transformer, en énergie électrique, une partie de l'énergie thermique évacuée et perdue par une centrale nucléaire pour son fonctionnement.

          Le rendement d'une centrale nucléaire se situe entre 30 et 35%, de ce fait une centrale d'une puissance de 900 MWélectriques rejette en pure perte, dans l'environnement, d'énormes quantités d'énergie thermique qui pourrait être en partie transformée en énergie électrique augmentant ainsi le rendement global de la centrale nucléaire et diminuant ses rejets de vapeur qui doivent être compensés par des ponctions d'eau, en général dans les rivières:
          En traitant tous les rejets thermiques et au vu des températures en question, on peut attendre un rendement de 10 à 20% sur la conversion de ces rejets en électricité et s'ajoutant aux 900 MW de la centrale classique.
           davantage d'électricité produite 24h/24
           moins d'eau consommée
           moins de réchauffement de l'environnement

          ...ET comme pour toute autre source de chaleur, on peut penser à exploiter l'énergie thermique fournie par le réacteur uniquement par ce type de machines montées en cascade sur plusieurs niveaux de températures.
          Le rendement global peut être supérieur à 50%

Fonctionnement succinct d'une centrale nucléaire à eau pressurisée: dans une enceinte de confinement (1) un réacteur nucléaire (2) chauffe de l'eau sous pression qui circule dans un circuit primaire (3) et qui fournit de l'énergie calorifique à au moins un générateur de vapeur (4) qui transforme l'eau de son circuit, le circuit secondaire (5), en vapeur sous pression qui actionne des turbines (6) par la détente de cette vapeur qui retourne sous forme d'eau en (7) au générateur de vapeur (4). Le condenseur (8) refroidit la vapeur issue des turbines et la condense grâce à un circuit tertiaire (9) dans lequel circule un fluide de refroidissement, ici de l'eau, circulant grâce à une pompe (10). L'eau circulant dans le circuit tertiaire (9) refroidit le condenseur (8) tout en se réchauffant puis elle est refroidie, dans cette version, par un aéroréfrigérant humide (11). Une partie de l'eau du circuit tertiaire (9) qui est évaporée et évacuée par l'aéroréfrigérant (11) est remplacée par de l'eau venant de l'extérieur de la centrale et une partie de l'eau contenue dans l'aéroréfrigérant (11) est rejetée. Dans d'autres versions le circuit tertiaire peut être refroidi par exemple uniquement par l'eau d'un fleuve ou par de l'eau pompée en bord de mer. Pour simplifier la représentation du fonctionnement, les circuits de réchauffage et les turbines basse pression ne sont pas pris en compte ni représentés.

Dans une association du dispositif avec une centrale nucléaire, le circuit tertiaire est fractionné en deux circuits dont le premier (12) refroidit la vapeur dans le condenseur grâce à un moyen de pompage comme (13) et le second circuit qui peut être comparé à un circuit quaternaire (14) refroidit l'eau qui y circule avec le même moyen conçu pour la centrale nucléaire, ici un aéroréfrigérant humide (11). Le dispositif (15), quelle que soit sa version, est à une échelle différente de celle des autres éléments de la centrale nucléaire. Le distributeur d'entrée (16) laisse passer alternativement le fluide chaud venant du condenseur et repartant refroidi et le fluide froid venant de l'aéroréfrigérant et repartant réchauffé. Les turbines entraînent au moins un générateur électrique qui fournit de l'énergie électrique à un réseau très haute tension par l'intermédiaire de transformateurs non représentés. Ici, au moins la même quantité d'énergie électrique est générée par la centrale nucléaire et de plus, au moins un autre générateur électrique tel que (17) produit de l'électricité distribuée vers les utilisateurs par la même ligne très haute tension ou par une autre ligne telle que (18). Des moyens de raccordements non représentés permettent de connecter directement le circuit (12) au circuit (14) pour court-circuiter le secteur du dispositif en cas de panne ou d'entretien de ce dernier. Le dispositif objet de l'invention associé à une centrale électrique thermique, à une centrale nucléaire, ne peut avoir qu'un rendement faible à cause de la faible différence entre les températures extrêmes du circuit de refroidissement qui est ici le circuit tertiaire. Cependant la quantité d'énergie rejetée dans l'environnement par la centrale est tellement grande, que même un rendement faible permet une production d'énergie électrique importante par le dispositif associé.

Les avantages de l'association du dispositif à une centrale électrique:
- moins d'eau consommée pour le refroidissement,
- l'eau rejetée est à une température plus basse ce qui va dans le sens des normes pour la protection de l'environnement surtout en saison chaude,
- réalisation d'un circuit quaternaire de refroidissement qui peut augmenter la sécurité pour une centrale nucléaire,
- augmentation de l'efficacité des turbines de la centrale,
- production supplémentaire d'électricité.

D'autres formes d'association plus efficaces encore sont possibles en utilisant un réchauffage.
Une disposition possible de plusieurs dispositifs associés, ici avec des échangeurs thermiques tubulaires, les différents moteurs ayant une position décalée dans le temps afin d'amortir ou de supprimer les effets des coupures sur les fluides d'alimentation par les conduits (1) et (2) et les positions différentes des distributeurs d'entrée comme (3) ou (4).




En rouge, l'échangeur thermique (5) reçoit le fluide chaud, le fluide repart refroidit par le conduit, la flèche indiquant le sens du déplacement du piston du moteur correspondant, alors que dans cette phase le fluide froid ne circule pas dans les conduits de cet échangeur thermique.




Un des autres dispositifs, comportant un autre moteur, commence à laisser passer le fluide froid, le fluide repart réchauffé. Les conduits pour le fluide chaud ne conduisent pas le fluide chaud, pour l'instant, dans l'échangeur thermique (6).











Liens, rendons à César...:
"Dimensionnement du puits canadien" par David AMITRANO
Exemples d'échangeurs à plaques par Nicolas JOUVE
Exemples de réducteurs/multiplicateurs Redex-Andantex





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