Stirling à Pistons Rotatifs Annulaires Trilobiques (SPRATL)

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Créer le mouvement à partir d'une source d'énergie, le convertir en un autre plus utile grâce à un dispositif adéquat, tout en ayant un bon rendement et en en respectant l'environnement,

tels sont les défis que relève SYCOMOREEN.


SYCOMOREEN est une société familiale qui développe toute une famille d'inventions axées sur les énergies renouvelables.

Aujourd'hui est un grand jour puisque je vous propose de découvrir le troisième bébé de SYCOMOREEN:

Les machines de Stirling à Pistons Rotatifs Annulaires Trilobiques (SPRATL)

adaptées par Remundo à partir de l'invention originale de Pascal HA PHAM

Le brevet a été déposé le 22 août 2008 à l'INPI.

Dans l'immédiat, nous ne publions pas les revendications de ce brevet pour des raisons juridiques et de propriété intellectuelle.

Néanmoins, vous avez accès à toutes les figures, gif animées et descriptifs.

Vous pouvez consulter aussi l'adresse http://sycomoreen.free.fr/
notamment http://sycomoreen.free.fr/syco_francais ... ation.html


Nous attendons vos réactions sur cette nouvelle machine aux multiples usages : production de puissance thermique, mécanique, électrique, cogénération, thermolyse, hydrolyse pour productions diverses (hydrogène, métaux...) à partir d'énergies propres et/ou de recyclage de déchets organiques...

Pour l'instant, nous déveleppons seuls nos machines, mais sommes ouverts à toute proposition de partenariat industriel.

Bonnes lecture et découverte !

Remundo pour SYCOMOREEN

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Cycles thermodynamiques de Stirling en diagrammes Pression/volume et Température/Entropie

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Machines à piston rotatif annulaire trilobique
avec cycles thermodynamiques de Stirling

L'invention concerne un dispositif (1) construit avec des machines à piston annulaire trilobique, grâce au caractère bi-étage à volumétries inégales qu’elles offrent dans leur version générique ; un carter périphérique (CAR), un noyau bi-arc(NBA) et un piston annulaire trilobique (PRA) qui tourne et glisse entre le noyau(NBA) et le carter(CAR), tel que décrit dans les demandes PCT 03.3921, et INPI 07.5990 et 07.6157 déposées par Pascal HA PHAM.
Avec au moins deux machines à piston rotatif annulaire polylobique, et principalement trilobique (2,2F,2C), des conversions thermomécaniques de Stirling peuvent être réalisées avec une haute efficacité grâce aux qualités de ces machines, judicieusement exploitées :
1. Les volumes maximum et minimum du cycle de Stirling sont simplement obtenus par la volumétrie des chambres de l’étage externe plus grande que celle des chambres de l’étage interne.
2. Les phases isothermes du cycle sont beaucoup mieux respectées grâce à la convection permise par les déplacements et transferts du fluide caloporteur au sein d’une machine(2,2F,2C) de température homogène.
3. Les phases isochores du cycle sont parfaitement respectées par des connexions de chambres de même nature et mouvement entre les machines chaudes (2C) et les machines froides (2F).
4. Un ou plusieurs régénérateurs(RGN), implantables entre les machines (2,2F,2C), permettent, grâce à des flux opposés et unidirectionnels de fluide caloporteur, un excellent niveau de recyclage interne de chaleur entre le refroidissement et le réchauffement isochores du cycle de Stirling.

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Travail mécanique et transfert thermique du fluide sur un cycle par une approche graphique

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Le dispositif (1) peut fonctionner avec toute source chaude issue notamment :
- de la concentration du rayonnement solaire, de réserves géothermiques, de réactions chimiques exo-énergétiques (combustion de biomasse, de déchets, d’hydrocarbures…), de fissions ou fusions nucléaires…
- de la chaleur résiduelle industrielle (fours, fonderies, fluides caloporteurs divers, effets dissipatifs dans les machines et installations),

et toute source froide naturelle (air ambiant, lacs rivières, sous-sols, glace/neige…) ou obtenue par réfrigération artificielle.

L’invention s’intègrera particulièrement bien sur des « Pièges Hyperthermiques du Rayonnement Solaire Direct (PHRSD) » décrits dans la demande de brevet 08.00627 de la société SYCOMOREEN (France) pour développer l’électricité solaire.

Les abréviations suivantes seront utilisées :
- « Tf » et « Tc » désigneront respectivement la température absolue en Kelvin des sources froides et chaudes,
- « machine SPRATL » désignera machine de Stirling à Piston Rotatif Annulaire Tri-Lobique », conforme à l’invention (1).

De nombreuses précisions vont être apportées dans la description ci-après, traitant chronologiquement des thèmes suivants : cycles thermodynamiques de Stirling, état et limites de l’art actuel, solutions proposées (rappel des caractéristiques des machines PRATL, débouchant sur leur exploitation en cycle de Stirling, mise en série et parallèle de plusieurs machines PRATL, conversion du mouvement, précautions d’isolation thermique, principe et avantages du régénérateur, étanchéification des chambres, extension à des pistons rotatifs annulaires polylobiques), dimensions et applications de la présente invention, suivies de sa description détaillée.

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Colonne de gauche : cycle imparfait des machines actuelles

Colonne de droite en trait fort : cycle optimisé par la machine SPRATL, plus petit que le cycle idéal, mais plus grand que le cycle des machines actuelles

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Cycles thermodynamiques de Stirling

L’invention exploite, de préférence avec un fluide caloporteur gazeux, le cycle thermodynamique de Stirling. Un cycle moteur de Stirling réalise les étapes suivantes, tel qu’illustré sur les figures 1A et 1B (P : pression ; V volume ; T : température ; S : entropie du fluide)
- 1->2 : Compression isotherme au contact de la source froide de température Tf, le fluide passant d’un volume maximum Vmax à un volume minimum Vmin,
- 2->3 : Réchauffement isochore au volume Vmin, avec augmentation de la pression du fluide,
- 3->4 : Détente isotherme au contact de la source chaude de température Tc, le fluide passant du volume Vmin à Vmax,
- 4->1 : Refroidissement isochore au volume Vmax, avec diminution de la pression du fluide.

Les étapes 2->3 et 4->1 sont isochores et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au gaz : 2->3 fait passer le gaz de Tf à Tc et 4->1 de Tc à Tf.

En revanche, les échanges de travail mécanique se déroulent pendant les étapes 1->2 et 3->4 :
- à l’étape 1->2, le caractère isotherme de la compression communique un transfert thermique du fluide vers la source froide et nécessite la fourniture d’un travail mécanique au fluide.
- à l’étape 3->4, le caractère isotherme de la détente nécessite un transfert thermique de la source chaude vers le fluide : celui-ci cède ainsi un travail mécanique supérieur à celui qu’il a reçu lors de la compression 1->2, d’où le caractère moteur du cycle.

Robert Stirling choisit rapidement d’améliorer sa machine en l’équipant d’un régénérateur.

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Machine SPRATL typique

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Ce régénérateur permet au fluide de récupérer au cours de son réchauffement isochore 2->3 la chaleur qu’il y a déposée au cours de son refroidissement isochore 4->1. Grâce à ce recyclage interne de chaleur, le rendement thermodynamique du cycle Stirling avec régénérateur vaut celui du cycle moteur de Carnot :
RC = 1 – Tf / Tc

travail mécanique produit par le fluide
avec RC = ____________________________________
chaleur prélevée à la source chaude par le fluide

Pour un cycle récepteur, tel qu’illustré sur les figures 1C et 1D, le sens de parcours du cycle est inversé :
- 1->4 : Réchauffement isochore au volume Vmax, avec augmentation de la pression du fluide,
- 4->3 : Compression isotherme au contact de la source chaude de température Tc, le fluide passant d’un volume maximum Vmax à un volume minimum Vmin,
- 3->2 : Refroidissement isochore au volume Vmin, avec diminution de la pression du fluide,
- 2->1 : Détente isotherme au contact de la source froide de température Tf, le gaz passant du volume Vmin à Vmax.

Les étapes 1->4 et 3->2 sont isochores et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au fluide. Ce sont des étapes de transferts thermiques uniquement : 1->4 fait passer le fluide de Tf à Tc et 3->2 de Tc à Tf.
A l’étape 4->3, le caractère isotherme de la compression communique un transfert thermique du fluide vers la source chaude et nécessite la fourniture d’un travail mécanique au fluide.
A l’étape 2->1, le caractère isotherme de la détente nécessite un transfert thermique de la source froide vers le fluide et contraint le fluide à céder un travail mécanique inférieur à celui qu’il a reçu lors de la compression 4->3, d’où le caractère récepteur du cycle.
La machine peut alors être utilisée soit en réfrigérateur, soit en pompe à chaleur à condition de lui communiquer du travail mécanique.

Lorsque la machine est équipée d’un régénérateur, permettant au fluide de récupérer au cours de son réchauffement 4->1 la chaleur qu’il y a déposée au cours de son refroidissement 3->2, les efficacités thermodynamiques du cycle valent celles de Carnot, plus précisément :

Chaleur prélevée à la source froide par le fluide
EF = __________________________________
travail mécanique communiqué au fluide

EFC = Tf / ( Tc – Tf ) est l’Efficacité Frigorifique

EFC est l’efficacité d’un réfrigérateur idéal de Carnot.

Chaleur cédée à la source chaude par le fluide
EC = __________________________________
travail mécanique communiqué au fluide

ECC = Tc / ( Tc – Tf ) est l’Efficacité Calorifique.

ECC est l’efficacité en pompe à chaleur idéale de Carnot.

Ces quelques rappels fondamentaux de thermodynamique vont permettre de mieux comprendre les limites de l’art actuel des machines de Stirling et les multiples avantages de la présente invention (1).

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Le régénérateur (RGN) et les précautions d'isolation thermique