REVENDICATIONS
1/ dispositifs de conversions thermodynamiques pendulaires (1/2, 1/4) périodiques ou continus (19/5) de toutes puissances évoluant à partir d'une source de chaleur unique (14/4, 18/5) dont ils tirent leurs ressources thermiques et non plus entre deux sources de chaleur à des températures différentes, contrairement à ce que soutient comme impossible le premier principe de thermodynamique.
2/ dispositifs de conversions thermodynamiques pendulaires (1/2, 1/4) périodiques ou continus (19/5) selon la revendication 1/, à changements de phases des fluides en cours de cycle, suralimentés en chaleur, caractérisés en ce qu'ils sont produits au sein d'un échange primaire potentiel/cinétique, pendant la phase de détente des gaz exclusivement et que le travail sollicité (Wx, 1/4 et Wy, 19/5) ne soit pas supérieur à celui échangé dans l'échange potentiel/cinétique ou dans le processus détente/condensation.
3/ dispositifs de conversions thermodynamiques selon la revendication 1 et 2, avec recyclage permanent des gaz en boucles fermées, telles que la chaleur prélevée sur la source de chaleur unique transite seule à travers le dispositif en étant véhiculée par les gaz en circuits fermés pour être convertie en travail sous un rendement théorique de 100 % et un rendement industriel proche de 100 % inhérent aux seules imperfections matérielles de tout dispositif concret.
4/ dispositifs selon la revendication 1 et 2 dans lesquels l'échange potentiel cinétique est produit à travers un changement de phases en passant d'une phase gazeuse à une phase liquide et à reverso d'une phase liquide à une phase gazeuse.
5/ dispositifs selon les revendications 1, 2, et 3, tirant leurs ressources thermiques principales ou accessoires ou exclusives d'un milieu naturel chaud dans lequel ils seraient immergés : air, mer, chaleur nucléaire, plus chauds que le dispositif mis en oeuvre. 6/ dispositifs selon les revendications 1, 2, 3, dans lesquels la production de chaleur se trouve à l'intérieur et non plus à l'extérieur du dispositif.
7/ dispositifs de conversions thermodynamiques selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, dans lesquels il est procédé à des dissipations de chaleur actifs et/ou passifs (15/4) de nécessité destinés à corriger les contraintes matérielles susceptibles de dégrader un cycle idéal parfait en utilisations industrielles.
8/ dispositifs selon la revendication 1 et 2 quel que soit le fluide caloporteur utilisé, y compris des fluides à changements de phases en cours de cycles.
9/ dispositifs selon la revendication 1, 2, 3, dans lesquels les mouvements des fluides sont assistés par des moyens mécaniques de pompage ou de refoulement destinés à en améliorer les performances. |
Description - Moteur pendulaire
Contrairement à une idée reçue, il est possible d'obtenir des conversions thermodynamiques industrielles de rendements théoriques UN à partir d'une source de chaleur unique comme dans le muscle humain, et proches de UN en utilisations industrielles courantes. De telles conversions peuvent être acquises pour toutes puissances, à partir de n'importe quelle température, sans préjudice de la loi de Neernst.
Bien entendu il est absolument utopique de l'espérer à partir des dispositifs actuels. De telles conversions deviennent cependant possibles au moyen d'un dispositif inédit : Un pendule thermodynamique par définition adiabatique et isentropique simultanément surchargé en chaleur et déchargé en travail pendant la détente adiabatique des gaz.
La première conversion thermodynamique : celle du pendule thermodynamique adiabatique est par définition pendulaire et réversible. Elle sert de berceau à la seconde : celle de la surcharge thermique. Le rendement chaleur/travail de la première est conventionnel (Tl - T2)/T1. Celui de la surcharge thermique simultanée est idéalement de un. Une deuxième application étend le procédé à des turbines à gaz au moyen de changements de phases des gaz en circulation en voies de retour.
Le brevet illustre ici une conception nouvelle et inédite de la conversion de chaleur en travail en thermodynamique fondamentale. Il convient donc tout d'abord d'en expliquer le principe et d'en démontrer la faisabilité théorique, puis d'en décrire les aspects industriels en utilisations courantes.
Un pendule thermodynamique est un dispositif échangeant de la chaleur contre du travail, puis réciproquement à reverso du travail contre de la chaleur dans un cycle pendulaire périodique en théorie perpétuel puisque par définition adiabatique comme tout mouvement pendulaire théorique. Il ne procède à aucun échange avec le milieu extérieur à lui même, que ce soit de chaleur, de travail ou de gaz. Il est possible en utilisation industrielle de rendre artificiellement perpétuel un mouvement pendulaire vrai au moyen de corrections d'entretien, car nul montage physique n'est parfait et que toute oscillation est vouée à s'amortir spontanément dès lors qu'elle se produit dans un milieu physique concret, à moins d'être entretenue.
Nous donnons ci après à titre d'exemple / un exemple de mouvement pendulaire thermodynamique idéal sans préjudice de tout autre montage.
Soit une enceinte cylindrique classique (1/1) remplie de gaz, obturée par un piston (2/1) . Ce piston est susceptible de coulisser dedans (figure 1). Sous la poussée des gaz mis sous pression le piston (2/1) va coulisser d'un point initial A (figure 1) jusqu'à un point final B de son parcours. En A sa pression est Pl, sa température Tl et le volume occupé par les gaz Vl. La poussée des gaz communiquée au piston produit un travail W entre A et B. Ce travail est de rendement théorique (Tl - T2)/T1, car en B sa nouvelle pression est P2 plus petite que Pl, sa nouvelle température T2 plus petite que Tl et le nouveau volume occupé par les gaz V2, plus grand que Vl (figure 1). Arrivé en B, dans le dispositif de la figure 1 les forces de poussées exercées par le piston et les résistances extérieures à l'enceinte s'équilibrent. Le mouvement du piston s'arrête. Il est réversible, sous réserve bien entendu de restituer au piston tout le travail W exploité entre A et B par la détente des gaz (figure 1) pour lui permettre de revenir à l'état initial du système (Pl, Vl, Tl, piston à nouveau en A). Jusqu'ici : rien que de très banal. Nous allons placer dans une telle enceinte (1/1) un volant d'inertie libre (3/2) dont l'axe de rotation (5/2) sera perpendiculaire aux mouvements du piston, et quand le piston occupera la position A, la plus proche de lui, nous relierons l'axe de rotation du volant (5/2) au piston au moyen d'un câble de liaison (4/2) suivant les figures 2, 3, et 4. Le piston est susceptible de se déplacer de la position A jusqu'à une position B, car nous donnerons à ce câble la longueur AB + celle de la distance séparant le piston du volant d'inertie (figures 2, 3, et 4) quand le piston occupe la position A la plus proche de lui. Quand le piston sera en A, nous enroulerons étroitement toute la partie libre de ce câble (donc la longueur AB) autour de l'axe de rotation du volant (5/2) par une de ses extrémités et relierons l'autre extrémité au piston (2/2, figure 2), puis nous mettons les gaz sous pression. Aussitôt que nous laissons aller le système armé en pression, la poussée des gaz sous pression sur le piston met le volant d'inertie en rotation, car simultanément le piston évolue entre A et B et le câble de connexion (4/2) enroulé autour de son axe agit sur lui. Une fois le piston en bout
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de course en B, il ne peut aller plus loin. Le câble (4/2) se trouve alors tendu en totalité entre le piston (2/2) et le volant (3/2), A ce moment il passe d'un bord à l'autre de l'axe de rotation du volant (5/2, 5/3) sur lequel il vient s'enrouler en sens inverse du sens précédent (figure 3) et la rotation du volant continuant sur sa lancée, celui ci servira de rappel au piston en exerçant des traction dessus par l'intermédiaire du câble toujours tendu entre les deux. De A jusqu'à B c'est le piston poussé par les gaz qui agit sur le volant pour le mettre en rotation. Une fois en B, le piston ne peut aller plus loin et le volant continuant sur sa lancée, le câble entièrement déroulé et toujours tendu changeant de bord autour de l'axe de rotation du volant d'inertie, c'est le volant jusqu'alors passif qui entre en action et agit sur le piston pour le ramener en principe à sa position initiale restaurant idéalement la pression à Pl, la température à Tl, dans le volume Vl initial (expliqué sur la figure 2 et 3). Une fois les gaz remis sous pression, le mouvement marque une courte pause et le cycle recommence une nouvelle période, avec une inversion du sens de rotation du volant. Le mouvement est illustré sur la figure 3.
Un volant d'inertie est en principe susceptible de restituer toute l'énergie cinétique qui lui a été communiquée. Il doit donc logiquement rappeler le piston à sa position initiale et restaurer en principe l'enceinte dans sa configuration initiale. Nous obtenons ainsi un mouvement pendulaire thermodynamique en théorie perpétuel. Le piston est ainsi animé d'une oscillation linéaire perpétuelle et le volant d'une oscillation circulaire réciproque dont le sens change à chaque période. Une fois lancé, un tel dispositif pendulaire est idéalement strictement adiabatique et isentropique. Il ne procède en théorie à aucun échange avec le milieu extérieur à lui même. Il ne produit en théorie aucun travail et ne consomme en théorie aucun calorique. En A, la température Tl est plus élevé qu'en B. En A la pression Pl est plus élevée qu'en B. En A le volume Vl occupé par les gaz est plus petit qu'en B. Soit M la masse des gaz et C leur chaleur massique„ Nous procédons ainsi à un échange croisé potentiel/dynamique en théorie parfaitement réversible de chaleur en travail et vice versa de travail en chaleur dans un système adiabatique alternativement chaud et sous pression en A et froid et détendu en B, entre le volant d'inertie et les
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gaz de l'enceinte. Nous pouvons exprimer la quantité de chaleur ainsi échangée entre le volant et le piston en valeur calorique extensive de Q calories contre W travail, et non plus en valeur intensive d'échelle de températures Tl et T2 entre Tl et T2. Soit M la masse des gaz. Soit C leur chaleur massique.
Q = Mx Cx (Tl - T2).
Nous procédons donc ainsi à un échange croisé perpétuel Q/W/Q/ ... etc. Cet échange est en principe perpétuel et peut être idéalement produit sans aucune dépense théorique d'énergie comme en principe dans tout mouvement pendulaire procédant à une échange potentiel/dynamique idéalement adiabatique. Nous verrons avec la description du dispositif final comment palier aux forces de frottements pour passer d'un mouvement perpétuel idéal à un mouvement concret forcément imparfait.
Le montage donné ici en exemple est reproductible au moyen d'une infinité de montages. Le volant peut être placé n'importe où, sous la seule condition d'être mis en opposition permanente avec le piston.
Soit un gaz quelconque en cours de détente produisant du travail, comme dans la figure 1 qui donne jusqu'à ce jour une version schématique classique simplifiée de tout moteur thermique convertissant de la chaleur en travail. Ses paramètres initiaux sont : Pl, Tl, Vl (pression, température, volume) . En fin de cycle de détente ils deviennent P2, T2, V2 (même chose), comme nous l'avons décrit plus haut. Un tel cycle d'échanges procède à l'échange sans retour de Q calories contre W travail et son rendement théorique est bien connu : il peut s'écrire (Tl - T2)/T1. C'est le rendement théorique de Carnot. Nous ne faisons aucun commentaire particulier dessus.
Nous allons nous servir non pas d'un cycle de conversions conventionnel, figure 1, mais du cycle d'un pendule thermodynamique, tel que décrit sur la figure 2. Nous allons introduire dans le cycle adiabatique décrit sur la figure 2 à la faveur de l'échange de chaleur en travail destiné à faire tourner le volant d'inertie (3/2) une charge additionnelle de chaleur de Q 1 = Q calories à plus haute température que Tl, pendant que le piston se déplace de la position A jusqu'à la position B, ou juste avant * Nous procédons à cette surcharge de chaleur au moyen d'un artifice qui sera décrit avec la description d'un cycle concret et non plus idéal. Si les gaz évoluent depuis une température
Tl, une pression Pl, et un volume Vl, jusqu'à une température finale T2 plus petite que Tl, une pression finale P2, plus petite que Pl dans un volume final V2, plus grand que Vl, nous pouvons produire ceci dans une telle enceinte, en portant la température initiale des gaz à : T3 = Tl + (Tl - T2) avant ou pendant la révolution du piston.
En effet, si T3 = Tl + (Tl - T2)
(T3 - Tl) = (Tl - T2). Par conséquent Q 1 = M x C x (T3 - Tl) = Q = M x C x (Tl - T2) . dès lors que (T3 - Tl) = (Tl - T2) Le montage pratique du transfert thermique est expliqué plus loin avec la description concrète d'une illustration du procédé.
Il est parfaitement connu que la pression d'un gaz dans une enceinte à volume constant est une fonction de sa température.
Soit delta P = f(delta T). de même pour tout gaz dont on élève la température : delta Px = f(delta Tx). Si nous faisons que : delta T est égal à M x C x (Tl - T2) et delta Tx égal à M x C x (T3 - Tl) si (T3 - Tl) = (Tl - T2)
(delta Tx) = (delta T) .
Nous en avons parfaitement le droit, en portant Tl à la nouvelle température T3 = Tl + (Tl - T2)
La nouvelle pression théorique de principe obtenue en portant la température Tl à la nouvelle température :
T3 = Tl + (Tl - T2) sera mathématiquement P3 = Pl + (Pl - P2) avec la surcharge thermique portant les gaz de la température
Tl à la température T3 = Tl + (Tl - T2) dans le cas exclusif et précis de notre dispositif. Ce qui fait que :
(P3 - Pl) = (Pl - P2).
Ici en effet, dans le cas de notre enceinte, P3 est seulement évoqué. Il s'agit en effet ici exactement de la même enceinte.
Elle est unique, de la même fonction, et de la même courbe de rapport des variations température/pression entre deux bornes identiques invariables : le point A et le point B. Une charge de chaleur ajoutée Q'
vient prendre exactement la place de l'autre (Q) escamotée entre A et B par la mise en rotation du volant, ce qui ne change rien au cycle adiabatigue, même à volume variable, pendant le déroulement de la détente, dans le cas précis de notre dispositif. La charge de chaleur Q est tout simplement enlevée aux gaz de l'enceinte par la mise en rotation du volant et dans le même temps simultanément exactement remplacée par substitution de Q 1 à Q. Si nous plaçons les températures en ordonnées et les pressions en abscisses sur une courbe, nous avons simplement décalé la courbe des variations température pression vers le bas en escamotant delta T et simultanément vers le haut en lui substituant delta Tx = delta T en tous points de la courbe. Nous avons par conséquent le droit d'écrire ici que P3 est virtuel et que si :
(Pl - P2) est obtenu entre Tl et T2 : (P3 - Pl) l'est entre T3 (réel) et Tl et que : (P3 - Pl) = (Pl - P2). il se substitue tout simplement à lui en addition entre A et B sans rien changer au cycle adiabatique idéal.
Si les différentiels de pressions réels sont identiques pour une même enceinte produisant un cycle unique dopé, entre deux bornes uniques, les différentiels de travail ne peuvent être qu'identiques.
Une charge de chaleur vient exactement se substituer à l'autre pendant la détente des gaz. En portant sa nouvelle température de Tl à T3 (bien réelle) celle ci est par conséquent susceptible de produire un nouveau travail extérieur à l'enceinte : W =W
Nous n'avons donc pas à tenir compte ici de la non linéarité de la relation entre pressions et volumes comme dans la représentation d'Amagat en élevant la température Tl pour la porter à T3.
L'enceinte du pendule adiabatique produit ici sa propre source froide entre le début et la fin de la détente des gaz entre A et B, du fait que l'abaissement thermique escamoté par projection dans le mouvement du volant ... est exactement corrigé par compensation.
La charge thermique mise en réserve par le mouvement du volant est exactement équivalente à celle exploitée. Elle sera ensuite restituée positivement au gaz de l'enceinte par le mouvement du volant de B vers A en fin de détente des gaz.
Si nous prélevons la surcharge Q 1 sous forme de travail cependant que le piston (2/1) se déplace entre les deux bornes A et B, la surcharge thermique permet une deuxième conversion exactement équivalente à la première et celle-ci peut être exploitée en dehors de l'enceinte. Nous n'avons en définitive construit qu'un mouvement d'horlogerie que nous avons dopé, mais un mouvement d'horlogerie de nature thermodynamique capable de produire du travail.
Si dans un cycle classique nous doublons le différentiel des températures en introduisant dans celui-ci un delta Tx = delta T, nous ne doublons pas forcément le différentiel des pressions : dans la courbe des variations températures/pressions. Un delta P n'est pas égal à un delta T. Mais ici P3 est virtuel et seulement évoqué. Il n'y a pas deux courbes différentes. Il n'y en a qu'une seule.
Ce paradoxe s'explique du fait que le travail de mise en rotation du volant s'exerce non pas sur une résistance fixe/ comme dans une enceinte classique, mais sur une résistance décroissante dans une enceinte qui bien qu'adiabatique voit ses températures alternativement décroître et croître. Au fur et à mesure que la vitesse angulaire du volant s'accroît, son moment d'inertie décroît et la résistance qu'il oppose décroît elle aussi. Il y a adéquation entre consommation de chaleur et production de travail.
Dans une enceinte ordinaire, si nous voulons que le mouvement du piston soit rapide, celui ci doit avoir un gamma d'accélération substantiel corrélatif au gamma des différences de pressions, donc un différentiel important entre les forces de poussées et les forces de résistances. Ici, ce n'est pas le cas dans l'enceinte adiabatique que nous modifions. Entre A et B, delta T = delta P.
Si nous voulions obtenir dans une enceinte ordinaire un rendement de 100 %, il y faudrait une adéquation exacte entre forces de poussées et consommation de chaleur pour éviter tout gaspillage, donc un mouvement de piston infiniment lent tendant vers zéro ou égal à zéro même, ce qui serait absurde. Ici, notre enceinte n'est pas inerte, si on peut s'exprimer ainsi, mais en mouvement perpétuel. Elle impose sa période, son cycle et sa vitesse propre aux transformations de la conversion d'une charge de chaleur Q' en travail W.
Soit Qz le compartiment calorique d'une enceinte classique
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ordinaire. Nous cherchons à en convertir la plus grande partie/ c'est à dire à obtenir le meilleur rendement et celui-ci est inexorablement (Tl -
T2)/ Tl ou (Ql - Q2)/Ql. Ici nous ne cherchons à convertir que l'équivalent du travail exploitable résultant d'une conversion classique et cette production de travail, contrairement à l'autre, peut être obtenue avec un rendement de conversion Q = W (loi de Joule) de 100 %.
Si nous prélevons sur une enceinte pendulaire, telle que décrite plus haut (figure 2) exactement tout le surcroit de travail W produit par une surcharge thermique Q' du coup soustraite pour être exploitée, nous en retranchons du même coup tout le surcroît de chaleur Q' incident. Si nous retranchons exactement tout le supplément de chaleur incident introduit dans un cycle adiabatique nous ne produisons aucune variation dans celui-ci. Il n'est certes plus adiabatique, puisque nous lui avons simultanément ajouté et retranché exactement la même valeur calorique convertie en travail prélevé, mais il se comportera exactement comme s'il l'était en dépit de l'échange. Par conséquent, dans la figure (2) ou (4) , notre volant d'inertie (3/2) doit en théorie ramener l'enceinte (1/2, 1/4) exactement dans sa configuration initiale en A (Pl, Vl, Tl initiaux restant inchangés en A), une fois que le travail W produit aura été prélevé. A ce moment, il faut et il suffit de recharger l'enceinte d'une nouvelle valeur calorique Q' ainsi définie (figure 2) en portant à nouveau sa température de Tl final en fin de période à la nouvelle température T3 = Tl + (Tl - T2) pour la convertir à nouveau en travail W = W et nous pouvons recommencer en principe l'opération indéfiniment. Cette deuxième conversion n'entre plus dans les voies de la conversion thermodynamique classique de type Carnot ... quel que soit le rendement de la première conversion (réversible et adiabatique qui lui sert de berceau) . Elle lui est égale, superposable, et vient se substituer à la première dont le potentiel thermique de conversion thermodynamique a été simultanément escamoté par le mouvement du volant et restauré par la surcharge thermique qui la remplace. Il y a substitution d'une charge de chaleur escamotée par une autre active sur la pression. Le travail est pendulaire et différentiel à la fois.
Aussi longtemps et aussi loin que nous ne chargerons pas l'enceinte d'une surcharge thermique supérieure à celle de l'échange adiabatique Q/W/Q, nous pourrons convertir toute la surcharge en
travail. Ha nouvelle enceinte aura donc une puissance inférieure et à la limite égale à celle de la capacité d'échanges de chaleur en travail de l'enceinte adiabatique. Nous pouvons en construire de toutes puissances au mieux de nos possibilités ou de nos souhaits. Au delà, et pour le surplus, nous devrons invoquer le théorème des rendements théoriques de Carnot pour le surplus. Il y aura dans notre enceinte en ce cas une surcharge de chaleur résiduelle T2 ' , T3 ' , etc ... en fin de cycle de détente des gaz. Rien ne nous y oblige..
Contrairement au cycle de Carnot qui essaye de convertir la plus grande partie d'un potentiel de chaleur présent dans un système, ici, nous ne prétendons convertir qu'une surcharge de chaleur introduite dans un système isentropique et réversible, mais cette deuxième conversion obéit à la loi de Joule, comme la première : Q = W et son rendement théorique est de 100 % (Q' = W). II est bien évident que pour réaliser ' concrètement de tels cycles, des dispositifs physiques annexes sont à considérer et que des corrections physiques sont à apporter. L'adaptation de ce nouveau principe de substitution à des turbines à gaz à mouvement continu et non plus alternatifs sera traitée dans une deuxième partie. Ils sont communs aux deux versions et seront exposés dans la description finale.
Description du dispositif
Soit une enceinte cylindrique (1/4) fermée à une de ses extrémités dans laquelle peut coulisser un piston mobile (2/4). Notons dès à présent que nous la désignerons tout au long de la description sous le non d'enceinte principale. Dans le fond de cette enceinte un conduit fin de communication (6/4) la fait communiquer avec une deuxième chambre étanche (16/4) dans laquelle se trouve un volant d'inertie encastré dedans (3/4). Son axe de rotation (5/4) est perpendiculaire aux mouvements du piston (2/4). La chambre (16/4) enserre étroitement le volant sans le toucher, de façon à laisser le moins d'espace mort possible. Nous relions l'axe de rotation du volant (5/4) au piston au moyen d'un câble souple (4/4) placé dans le conduit de communication (6/4) placé entre les deux chambres. Le piston évolue depuis la position A (figure 2 de principe et 4 industrielle) tout contre la paroi ' de l'enceinte principale/ jusqu'à occuper à l'opposé la position B. En effet . nous donnerons à ce câble la longueur AB, + la distance séparant le piston du volant d'inertie quand le piston occupe la position A. Le piston est ainsi, prisonnier entre les deux bornes A et B et ne peut évoluer qu'entre elles. Nous enroulons étroitement tout le câble disponible (4/4) autour de l'axe de rotation du volant d'inertie (5/4) quand le piston se trouve dans la position A tout contre le fond de l'enceinte. Nous pouvons placer le volant d'inertie n'importe où, pourvu que ses mouvements circulaires soient tout le temps en opposition avec ceux des oscillations linéaires du piston et que le câble interposé entre les deux (4/4) soit tout le temps tendu entre les deux. Nous commençons par immobiliser le volant et le piston dans leurs positions respectives : piston en A et volant immobile, avec toute la partie libre du cable enroulée autour de l'axe de rotation du volant et le reste tendu entre volant et piston.
Dans le fond fermé de l'enceinte principale (1/4) débouchent deux conduits (8/4, et 9/4). Par l'un (8/4) nous alimenterons l'enceinte principale en gaz chauds et sous pression quand elle est entièrement vide avec le piston en A, et par l'autre (9/4) nous évacuerons les gaz détendus et refroidis après leur détente productrice de travail, quand
le piston se déplace depuis la position A jusqu'à la position B. Le mouvement des gaz dans le circuit du dispositif se fait en sens unique dans le sens fléché sur la figure (4). Les deux conduits seront munis de clapets antireflux (23/4) pour éviter tout retour de gaz. A distance, pour alimenter l'enceinte principale, nous plaçons toute une batterie d'enceintes échangeuses de chaleur (10/4, 10/4, 10/4 etc ..). Chaque enceinte échangeuse a exactement le même volume que l'enceinte principale quand le piston qui coulisse dedans est en bout de course en B. Il est possible de leur donner des dimensions plus réduites sous réserve que leur potentiel dysthermique Q 1 = Q soit toujours le même : C'est à dire que la charge de chaleur délivrée à l'enceinte principale soit toujours la même, par exemple dans le cas d'un changement de phase des gaz qui passeraient de la phase gazeuse à une phase liquide sous très hautes pressions, ou en considération de la température de la source unique (14/4) dans laquelle elles baignent. Celle-ci devra de toutes façons être dans tous les cas et par construction à une température T3 supérieure et à la limite égale à celle de l'enceinte principale, quand le piston occupe la position A pour pouvoir lui délivrer du calorique. Les enceintes pourvoyeuses de chaleur (10/4, 10/4, ... etc) de la batterie ne sont pas nécessairement immergées dans la source de chaleur unique mais peuvent être également portées à la température adéquate par chauffage, ex solaire, ou au moyen d'un combustible ou autre. Chaque enceinte secondaire (10/4, 10/4, ... etc) destinée à fournir à tour de rôle des gaz chauds sous pression à l'enceinte principale (1/4) dispose de deux conduits privatifs (12/4 et 12/4) munis de valves antiretour. Le premier, d'aval livre passage aux gaz chauds sous pression pour les diriger vers l'enceinte principale (1/4) dans le sens fléché, par le canal d'un conduit unique (8/4) commun à toutes les enceintes échangeuses de chaleur (10/4, 10/4, ... etc), et le second (12/4) par le canal du conduit commun (9/4) qui sert de conduit de retour aux gaz refroidis et détendus refoulés par le mouvement du piston (2/4), après leur passage dans l'enceinte principale (1/4) . Tous les conduits de communication respectifs de chaque enceinte pourvoyeuse de chaleur (10/4, 10/4, ... etc) débouchent dans les deux grands collecteurs : (8/4, et 9/4) qui les desservent. Ceux ci débouchent dans le fond de l'enceinte principale (1/4). Des clapets
antireflux (23/4) défendent le sens fléché dans lequel les gaz circulent.
Nous commençons par armer le dispositif une fois pour toutes en produisant dans toutes les enceintes pourvoyeuses de chaleur hermétiquement fermées (10/4,10/4, ... etc) la température T3 et la pression adéquate. Celle ci est définie par la puissance du volant d'inertie (3/4) et sa capacité de stockage de chaleur sous forme cinétique. La température T3 est fournie à la source unique de chaleur (14/4) au moyen d'une circulation de fluides chauds (17/4) ou produite in situ, ou alimentée de l'extérieur, ou sui généris, dans le cas d'une source chaude naturelle de grande capacité. Il va de soi que la température de l'enceinte principale (1/4) sera toujours et par définition inférieure à celle de la source de chaleur mère therraostatée. En ouvrant une valve de sortie (12/4) d'une quelconque des enceintes pourvoyeuses de chaleur en aval de celle-ci dans le sens fléché, nous délivrons à l'enceinte principale (1/4) des gaz chauds et sous pression. A ce moment l'enceinte principale est totalement vide. Le piston se trouve tout contre la paroi du fond en position A, et le volant est immobile. L'irruption brusque en jet des gaz libérés par une des enceintes pourvoyeuses de chaleur et de pression en ouvrant sa valve d'aval met simultanément le volant (3/4) en rotation et permet à l'enceinte principale de produire un travail exploitable. Une fois que le piston (2/4) arrive en B, les pressions finales s'équilibrent dans les deux enceintes mises en communication. Nous refermons alors la communication au ras de l'enceinte pourvoyeuse de calories qui vient de délivrer le calorique. Nous ouvrons alors simultanément la valve opposée de cette même enceinte communiquant avec l'enceinte principale (1/4) par le conduit commun de reflux des gaz (9/4). Le mouvement de retour du piston (2/4) actionné par le volant lancé (3/4) chasse les gaz dans l'enceinte échangeuse de chaleur concernée ouverte à son pôle d'amont. Nous refermons la communication. Là, les gaz refroidis et détendus en attente de se chauffer dans une enceinte hermétiquement fermée sont à nouveau au contact de la source unique pourvoyeuse de chaleur plus chaude qu'elle, ou chauffés par tout moyen à notre convenance dans une enceinte hermétiquement close où ils pourront se chauffer à nouveau. Quand le piston revient à la position de départ (A), avec la totalité du
câble disponible enroulée autour de l'axe de rotation du volant d'inertie, nous ouvrons alors immédiatement la valve d'aval de l'enceinte pourvoyeuse de chaleur suivante et recommençons la même opération. Etant donné que le temps d'un cycle sera court et que les temps de chauffage seront plus longs, soit N le temps de chauffage d'une enceinte et n le temps d'un cycle, nous placerons dans la source unique (N/n + 1) enceintes et travaillerons par permutations circulaires. Quand la dernière aura délivré sa charge, la suivante sera automatiquement à la température voulue. Nous pouvons ainsi travailler en continu. Pour une turbine, (figure 5), le montage est plus simple. Nous avons une enceinte première (18/5) plongée dans une source de chaleur où elle peut acquérir la température et la pression voulues ou chauffée de de l'extérieur ou de l'intérieur. Cette enceinte pleine de gaz liquides sous haute pression communique avec le pôle chaud en amont de la turbine à gaz (19/5) par un conduit unique (22/5). Entre les deux, une chambre intermédiaire de décompression (24/5) où les gaz passent en phase gazeuse au moyen d'un gicleur (21/5) . La turbine est ainsi alimentée en continu en gaz chauds et sous pression par le conduit (22/5) . En sortie de la turbine à son pôle opposé dans le sens fléché sur la figure (5) , les même gaz sortent refroidis et détendus après avoir produit du travail. Nous les porterons jusqu'à un point de température et de pression inférieurs à leur point de condensation. Ils repassent alors en phase liquide plus froids qu'à l'entrée dans le dispositif. Ils tombent en pluie et sont recueillis dans une chambre de condensation (20/5) sous forme liquide, et il suffit de les refouler alors dans la chambre de chauffage (18/5) au moyen d'une deuxième turbine (25/5) refoulant les liquides, et de compléter le dispositif par des clapets antireflux (23/5) pour interdire le reflux des liquides et des gaz. Il n'est ainsi plus nécessaire de recomprimer les gaz en sortie de la turbine pour les réinjecter dans le circuit. Les liquides sont tous par nature incompressibles. Bien entendu, si nous considérons un dispositif concret et non plus idéal, des corrections sont à faire. Elles ne sont dues qu'aux imperfections matérielles du dispositif (frottements, excès de chaleur en sortie de la turbine, pertes diverses, etc) , et non plus aux considérations du principe des rendements théoriques de Carnot.
Deux cas de figure se présentent à nous : Dans le premier,
dénommé la voie chaude, la source de chaleur et l'enceinte principale sont plus chauds que le milieu gui les environnent. Dans le second que nous nommons ici la voie froide, c'est l'enceinte principale seule munie de ses accessoires qui fonctionne à plus basse température que le milieu naturel dans lequel elle baigne. En ce cas, c'est l'environnement : air, eau, etc, qui peut servir de source de chaleur principale unique ou subsidiaire selon les cas de figure. Il convient alors tout d'abord en ce cas de protéger l'enceinte principale contre tout chauffage intempestif contre productif pendant le reflux des gaz en voie froide et en ce cas de prévoir éventuellement des moyens de refroidissement passifs accessoires, (par ex 15/4 au moyen d'un radiateur), ou actifs, car nulle isolation ne saurait être parfaite aussi bien dans le cas d'un dispositif alternatif que continu.
En voie chaude, par exemple, nous avons intérêt à bien isoler l'enceinte principale tout le temps plus chaude que son environnement, mais seulement pendant la détente des gaz produisant du travail, aussi bien pour l'enceinte principale alternative (figure 4) que pour celle de la turbine en continu (figure 5). A contrario, pendant la recompression des gaz par le volant d'inertie ou leur retour à la source sous forme liquide, un refroidissement favorise la baisse de pression et facilite par conséquent le travail du volant d'inertie ou de la turbine de reflux au prix d'un perte de rendement, certes, alors qu'un réchauffement contrarie le retour des gaz en augmentant leur pression en phase de retour. De même nous avons intérêt à isoler les conduits d'alimentation et les enceintes pourvoyeuses de chaleur pendant les étapes de reflux des gaz pour ne pas contrarier le mouvement du volant d'inertie. Nous distinguons donc deux étapes : les étapes Afflux correspondant à l'afflux des gaz dans l'enceinte principale quelle qu'elle soit, pendant lesquelles tout apport de chaleur est bienvenu, sans jamais dépasser toutefois les capacités de production de travail du dispositif (frottements, par exemple en phases chaudes) pour ne pas essuyer de surchauffe, et a reverso les étapes Reflux pendant lesquelles tout apport de chaleur est négatif et contre productif dans le bilan. Tout ce qui apporte un supplément de chaleur que ce soit dans la turbine ou bien dans le dispositif alternatif en phase de production de travail favorise le rendement et à contrario tout ce qui en apporte en phase de
recompression ou de refoulement des gaz sous forme liquide est à compter en négatif dans le bilan industriel final. De telles surchauffes doivent être corrigées par des moyens de refroidissement actifs ou passifs (ex 15/4), selon le cas de figure. Nous savons parfaitement refroidir un gaz et nous disposons de puissance motrice. Nous revendiquons ici le principe, sans faire aucune revendication sur les moyens à mettre en oeuvre pour refroidir un gaz. Ces dispositifs sont bien connus et n'ont rien d'original. Il ne s'agit plus ici d'une application du deuxième principe de thermo : abaisser T2, la source froide, dans le but d'élargir le différentiel (Tl - T2) par le bas, coircne dans le récupérateur de Watt, mais uniquement de corriger des imperfections matérielles résultant du passage d'une machine idéale à une machine concrète car aucune machine ne saurait être parfaite. Elles n'entachent pas beaucoup le rendement industriel final. Rien n'interdit au surplus de prélever, même en voie chaude, un complément de chaleur dans le milieu environnant et de l'incorporer au cycle au moyen d'annexés en sophistiquant davantage le dispositif. En ce cas le rendement ne sera certes pas surgénérateur sui gêneris ... mais pourrait être surgénérateur par rapport à l'apport de chaleur actif entretenant le cycle de chauffage.
En voie froide, le raisonnement est inverse. Si l'enceinte est plus froide que son environnement, nous avons intérêt à l'exposer pendant la détente des gaz productrice de travail, et à contrario à l'isoler pendant les phases de reflux et de recompression. Comme il sera impossible de refroidir un dispositif froid plus froid que son environnement, il est à prévoir de nécessité en ce cas des moyens accessoires de refroidissement actifs et un rendement moins bon qu'en voie chaude, mais une production de travail qui peut être avantageuse tout de même car dispensée de tout chauffage actif (ex l'eau de la mer, l'air, le solaire ... etc).
Nous pouvons également concevoir des alternances exposé/isolé, éventuelles et pièce par pièce pour gagner en rendements dans des dispositifs plus sophistiqués. Elles ne semblent pas apporter de changements décisifs aux rendements industriels définitifs au prix de complications techniques, mais ne sont pas à écarter. Nous les citons pour mémoire.
Bien entendu, nous recensons l'incidence des diverses annexes (conduits, enceintes échangeuses de chaleur, etc) dans le bilan industriel définitif. Plutôt que de faire un inventaire fastidieux qui composerait une factorielle de grade élevé, nous donnons ici la règle à suivre que l'hoπme de l'art n'aura aucun mal à comprendre. Il apparaît donc que les même causes à des moments différents de la période peuvent devenir des gains ou des pertes selon les circonstances. Elles sont à considérer et sont recensées plus bas;
Enfin il faudra compter dans le bilan final avec la mobilisation des pièces et des gaz.
Nous avons tenu à recenser toutes les causes possibles de dégradation d'un cycle idéal parfait et à les classer pour bien montrer que nous ne les ignorons en aucune façon.
Nous connaissons Q et W. Nous pouvons construire des enceintes de toutes dimensions et de toutes puissances à la demande et les adapter à n'importe quelle source de calories. Bien entendu, les unes et les autres doivent être compatibles et nous ne pourrons jamais produire plus de travail que nous ne disposerons de calories à hautes ou à basses températures. La source mère donneuse de calories peut parfaitement être un milieu naturel. N'importe quel fluide caloporteur peut être utilisé. Nous fonctionnons en circuits fermés. Donc le risque de pollution, même thermique, est évité.
Soit Q 1 , la quantité de calories transférées dans l'enceinte principale (1/4) produisant le travail ou dans celle de la turbine (19/4) pour être converties en travail.
Soit en phases Afflux, Ql, toutes les acquisitions de chaleur intérieures supplémentaires générées dans les deux voies du fait des frottements ou des parois encore chaudes du cycle précédent, et en voie froide les suppléments de chaleur provenant de l'extérieur de l'enceinte contemporaines de la détente des gaz résultant de l'imperfection de l'isolement thermique.
Soit en phase Afflux, Q2, la chaleur perdue en voie chaude par
l'enceinte plus chaude que son environnement, quelque soit le mode ou la qualité de l'isolation thermique.
Soit en phases Reflux, Q3, toutes les acquisitions de chaleur en voie froide en provenance de l'extérieur.
Soit Q4, toujours en phases Reflux dans les deux voies toutes les acquisitions provenant de l'intérieur de l'enceinte : parois chaudes, frottements, plus en voie froide les acquisitions provenant de l'extérieur, donc à compter en pertes au delà du point de reflux.
Soit Q5 = W5 en équivalents de Joule, le travail dépensé dans les deux voies pour mobiliser les fluides ou les gaz dans leur circuit en boucles pendant un cycle, ainsi que pour mobiliser le volant et le piston ou la turbine (frottements), dans leurs oscillations réciproques.
Soit Q6 = W6 en équivalents de Joule, le travail ou les pertes de chaleur cumulées en voie froide, comme en voie chaude, délibérément dissipées par le dispositif de déperdition de chaleur (15/4) dont nous ne pouvons nous dispenser pour corriger un cycle industriel forcément imparfait et entretenir le mouvement, que celui-ci soit actif ou passif.
le travail exploitable in fine sera
en voies chaudes :
Wx = Q' + Ql - (Q2 + Q4 + Q5 - Q6) avec un rendement final : Q 1 + Ql - (Q2 + Q4 + Q5 - Q6)/Q'
et en voies froides :
Wy = Q' + Ql + Q3 - (Q4 + Q5 + Q6) avec un rendement final : Q 1 + Ql + Q3 - (Q4 + Q5 + Q6)/Q'
Les effets négatifs sur le rendement ne sont pas prohibitifs. Les rendements ne dépendent plus du rendement théorique de Carnot, (deuxième principe) , mais seulement du degré de perfectionnement des dispositifs. Aussitôt que cette technique sera généralisée l'effet de serre né des machines thermiques aura vécu. Il pourrait même s 'inverser si nous puisons dans le réservoir thermique de la planète. Si nous utilisons un combustible nucléaire ou solaire ou géothermique ou une source de chaleur naturelle chaude, la pollution sera réduite à rien, puisqu'il n'y a aucun échappement.