Stirling à Pistons Rotatifs Annulaires Trilobiques (SPRATL)

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Etat de l’art

On rencontre usuellement les machines de Stirling suivantes :
- Machines de « type alpha » : elles utilisent 2 cylindres à 90° avec un piston oscillant dans chaque cylindre. Chaque piston est attaché à un seul et même maneton du vilebrequin dont l’axe de rotation se trouve à l’intersection des axes des 2 cylindres. Les pistons oscillent ainsi en quadrature. Ces machines sont généralement équipées d’un régénérateur qui est placé entre les 2 têtes des cylindres. Ces machines ne nécessitent pas de « piston déplaceur ». Par exemple, elles sont actuellement industrialisées par la société allemande SOLO (Singelfinden) pour des puissances mécaniques de 10 kW dans le cadre d’installations solaires de type « Dish Stirling ».

- Machines de « type pistons en série » : elles nécessitent la mise en série de N pistons, généralement actionnés par N bielles et un vilebrequin commun. Sur le vilebrequin, le déphasage entre 2 manetons consécutifs est d’environ 90°, de manière à ce que deux pistons consécutifs soient en quadrature. Entre 2 pistons consécutifs est intercalé un régénérateur. Les pistons sont à double effet, c’est à dire qu’ils travaillent sur leurs 2 faces : il y a ainsi N volumes distincts de fluide caloporteur. Le k-ième volume transite uniquement et sans arrêt entre la machine k et k+1 via le k-ième régénérateur. Généralement, les têtes de cylindres (« haut moteur ») constituent la source chaude et les pieds de cylindres (« bas moteur ») sont la source froide (l’inverse est aussi possible).

On pourra aussi regarder cette adresse plus conviviale:
http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... ctuel.html

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Mise en série et en parallèle de machines SPRATL

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- Machines de « type beta » à embiellage simple : elles utilisent un seul cylindre dans lequel coulissent à la fois un piston de « travail » et un piston « déplaceur » . Ces deux pistons sont connectés sur le vilebrequin via 2 bielles, attachées sur 2 manetons décalés de 90° sur le vilebrequin. Le piston de travail est destiné à récupérer la puissance mécanique tandis que le piston déplaceur permet de chasser périodiquement, à volume à peu près constant, le fluide de la zone chaude vers la zone froide ou inversement. Ce transport se fait de préférence via un régénérateur placé sur le flanc du cylindre.

- Machines de « type beta » à embiellage rhombique (ou rhomboïdal) : elles fonctionnent de la même manière, mais avec un embiellage à losange déformable permettant de mieux piloter le piston déplaceur et le piston de travail, et ainsi d’avoir un volume approximativement constant durant les phases idéalement isochores.

- Machines de « type gamma » : elles utilisent 2 cylindres et 2 pistons qui ont chacun leur propre actionneur. Chaque piston est à la fois « déplaceur » et « de travail ». Un régénérateur peut être monté sur le côté. La synchronisation entre les pistons se fait notamment par engrenages, chaînes, courroies et/ou embiellages. Les machines de « type gamma » peuvent être vues comme une hybridation entre le « type alpha » et le « type beta ».

En complément de ces machines habituelles existent des machines de Stirling non conventionnelles, moins diffusées, restant au stade de prototype ou destinées à des applications très spécifiques (spatiales…):

- Moteurs à piston libre « type Martini » : le piston moteur se déplace en fonction de la pression du moteur. Quand la pression monte, il est poussé dans un sens. Quand la pression baisse, il revient dans l'autre sens à sa position initiale. Ceci nécessite la présence d'une force moyenne sur la face "extérieure" du piston, elle est générée par un gaz enfermé dans une enceinte ou par le tarage d'un ressort. Si le piston moteur est un aimant, on peut installer en périphérie un alternateur linéaire et générer du courant électrique.
- Moteurs à déplaceur libre « type Ringbom » : à l'inverse du précédent, le piston moteur est entraîné mécaniquement. Par contre, le déplaceur se positionne en fonction de la pression du gaz enfermé dans une chambre auxiliaire et de la pression du moteur.
- Moteurs de type « pistons libres » : ils font la synthèse entre les deux précédents. Il n'existe aucune liaison mécanique avec l'extérieur. L'énergie produite est évacuée par au moins un alternateur linéaire.
- Machines thermoacoustiques : version modernisée du type précédent, elles utilisent un gradient thermique entre les 2 extrémités d’un tube qui contient une membrane poreuse et un gaz. Un système d’ondes acoustiques s’établit dans le tube produisant un son convertible en électricité par un microphone.
- Moteurs rotatifs dans une enceinte sensiblement elliptique : une approche 4 quadrants, avec une alternance chaud/froid entre 2 quadrants consécutifs, isole 4 chambres à l’intérieur de l’ellipse (avec un rotor possédant 4 contacts tangents et permanents avec l’ellipse). La rotation relative entre le rotor et l’ellipse provoque des dilatations/contractions du gaz produisant ainsi du travail mécanique : un exemple est la Quasiturbine Stirling de la famille SAINT HILAIRE.

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Limites de l’art actuel

Les cycles et machines de Stirling (moteurs ou récepteurs) sont connus et exploités depuis très longtemps de diverses manières. Pourtant, toutes les machines de Stirling actuelles rencontrent les difficultés techniques suivantes, nuisibles pour leurs rendement ou efficacité :
- Non respect du diagramme (P,V) : principalement parce que les cinématiques utilisées ne parviennent pas à réaliser les phases isothermes et surtout isochores.
- Les parties chaudes et froides de la machine sont souvent dans le même bloc-moteur, ce qui engendre, malgré des précautions d’isolation, des transferts thermiques hautement indésirables car ils vont directement de la source chaude vers la source froide sans faire travailler le fluide caloporteur.
- Les régénérateurs, lorsqu’ils sont présents, sont encombrants, coûteux, et souvent thermiquement inefficients : inertie des échanges de chaleur avec le gaz, fuites thermiques vers l’extérieur. Ils engendrent aussi des pertes par laminage de fluide.
- Le fluide est souvent en mouvement alterné, parfois bloqué par des soupapes (variante Ericsson) : pourtant un écoulement unidirectionnel sans soupapes est préférable pour limiter les pertes par laminage de fluide et éviter d’actionner des accessoires.
- Le mouvement généré, est en général une translation alternée ; il faut alors recourir à des cinématiques entraînant des vibrations ou pertes mécaniques pour avoir une rotation continue couplée à une génératrice électrique de bon rendement.

Lorsqu’ils se cumulent, tous ces problèmes techniques diminuent considérablement le rendement ou l’efficacité de la machine qui deviennent très inférieurs à ceux de Carnot.

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Règles de connexion entre les machines chaude et froide

Principe animé des flux disponible sur:
http://video.google.fr/videoplay?docid= ... 8052096418

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Solutions proposées

Les dispositifs(1) sont des machines SPRATL, assemblées et exploitées dans les configurations qui vont être développées ; ainsi, comme évoqué en introduction, ils apportent des améliorations très significatives dans le domaine des machines de Stirling, grâce :
- à un suivi beaucoup plus rigoureux du diagramme (P,V) (P : pression du fluide, V : volume du fluide),
- à la possibilité d’isoler presque totalement la partie chaude et la partie froide du dispositif(1),
- à l’utilisation d’un régénérateur(RGN) simple et parfaitement isolé, assurant d’excellents échanges thermiques, et sans pertes notables par laminage pour le fluide qui y circule en écoulement unidirectionnel,
- à l’exploitation du caractère rotatif des machines PRATL (à Piston Rotatif Annulaire TriLobique) (2,2F,2C) inventées par Pascal HA PHAM.

Rappel des caractéristiques des machines PRATL
Tel qu’illustré sur la figure 3L, une machine PRATL (2,2F,2C) générique est composée d’un noyau bi-arc (NBA), d’un piston rotatif annulaire (PRA) et d’un carter (CAR) dont la forme intérieure constitue la trajectoire des extrémités du piston trilobique (PRA) lors de ses différents mouvements de rotation et glissement. Lorsque le piston (PRA) tourne et glisse autour du noyau bi-arc (NBA), et à l’intérieur du carter(CAR), une structure bi-étage apparaît, avec 2 familles de chambres mobiles :
- étage interne : petites chambres (PC1,PC2,PC3) entre les faces internes du piston (PRA) et du noyau (NBA),
- étage externe : grandes chambres (GC1,GC2,GC3) entre les faces externes du piston rotatif annulaire (PRA) et le carter (CAR).
En appelant VM le volume maximum de l’une de ces 6 chambres, et Vm son volume minimum, le comportement pour une chambre quelconque se résume en pratique à des cycles en 3 temps de type :
- phase de refoulement « R », volume VM->Vm
- phase d’aspiration « A », volume Vm->VM
- phase de transport à volume constant maximum « V=VM »

Aussi bien pour les petites chambres (PC1,PC2,PC3) que pour les grandes chambres (GC1,GC2,GC3), Vm peut être nul. Le volume maximum des grandes chambres est supérieur à celui des petites et leur rapport est paramétrable par la géométrie du piston(PRA) tel que décrit dans la demande 07.6157 déposée auprès de l’INPI par Pascal HA PHAM.

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Structure générique d'une machine PRATL :

un carter (CAR), un noyau bi-arc (NBA), un piston rotatif annulaire (PRA)

Vidéo disponible à lire en boucle
http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... gments.avi
Attendre quelques minutes le temps du téléchargement...

[Obelix]

Bonjour Remundo,

Ouf comme tu dis y'a beaucoup de messages d'un seul coup !
Vat falloir un moment pour digere tout cela !!

Obelix

[toto65]

j'attendais la fin pour poster depuis 10h! Un grand bravo.
J'ai plein de suggestions/questions.

1- Avez vous réalisé un prototype?
2- ,, réalisé des mesures?
3- le noyau évidé peut il être un piège hyperthermique?
4-quel sont les prochaines étapes du projet?
5-combien coute un prototype?
6-Avez vous réalisé un cahier des charges? Une sélection des fournisseurs?
7-Les plan de définition sont ils définitifs?

Encore bravo