Quasiturbine Moteur Pneumatique

(Pour le moteur à vapeur, voir : http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTVapeur.html )
Comme la Quasiturbine est un pur moteur à détente
(ce que le Wankel n'est pas, ni la plupart des autres moteurs rotatifs),
elle est particulièrement bien indiquée pour les moteurs pneumatiques - à fluides ou air comprimé.

À partir du bloc moteur de 200cc par révolution,
un prototype de moteur à air a été construit comprenant 2 circuits parallèles de détente
de 200cc par tour chacun, pour un total d'environ 14 pieds cubes d'admission à la minute à 1000 RPM.

Le moteur pneumatique me présente aucune vibration sur l'arbre.
À titre d'exemple, une tronçonneuse équipée d'un moteur pneumatique  
(opérant à l'air comprimé d'une bombonne régulée à 300 lb/po2)
permet un fonctionnement sans combustible dangereux dans "toutes les conditions" 
pour les pompiers et les équipes de secours nationales.
Elle fonctionne dans l'épaisse fumé, aussi bien que sous l'eau. Les échappements peuvent même être respirés par le pompier !
Un équipement essentiel pour toutes organisation de défense civile ...
(Voir le vieux vidéo 1998 de la tronçonneuse pneumatique sur la page d'entrée du site Internet) 

Voir Quasiturbine moteur hydraulique à:
Quasiturbine.promci.qc.ca/FQTHydraulique.html

REMARQUE SUR L'EFFICACITÉ DES SYSTÈMES PNEUMATIQUES
Un moteur pneumatique de haute efficacité ne garantie pas que le système dans son ensemble sera de haute efficacité.
Tous les gaz se réchauffent en se comprimant et se refroidissent lors de la détente.
L'effet du refroidissement ne doit pas être sous-estimé. Par exemple, une bombonne type à 200 bar (atm.)
vidée adiabatiquement (sans thermalisation à la température ambiante) donne à la fin de l'air tellement froid
que son volume est alors le 1/4 de celui de l'air une fois ramené à la température ambiante (détente isothermale).
Dans ces conditions de température à l'entrée d'un moteur pneumatique, le rendement est catastrophiquement bas
et le lubrifiant se solidifie, augmentant considérablement la friction interne du moteur...
Généralement, la réversibilité du cycle compression - détente se détériore avec l'augmentation de la pression,
d'où l'intérêt d'utiliser pour fin d'efficacité élevée la plus basse pression de design possible.
La mesure de la température des échappements constitue généralement une bonne indication de l'efficacité,
puisque le minimum d'énergie perdue dans l'environnement correspond à une température d'échappement
égale (ni inférieur, ni supérieure) à la température ambiante.
Cette condition peut être atteint par une légère chauffe (solaire) du gaz avant l'entrée dans le moteur pneumatique.
La Quasiturbine peut faire beaucoup de détente si elle est construite
avec une restriction dominante à l'entrée de la chambre, et non aux échappements.
Les ouvertures d'échappement doivent alors être plus grands que les ouvertures d'admission,
de sorte que l'air sort plus facilement qu'il n'entre, et abaisse ainsi de pression dans le moteur.
Dans ce cas, la Quasiturbine a moins de puissance spécifique, mais parce qu'elle fait de la détente, elle est plus efficace.
On peut faire plus de détente en réduisant encore l'accès d'admission à la chambre, et ce sans vanne de synchronisation.
Comme la Quasiturbine tourne à partir de pression aussi basse que 1/10 d'atmosphère (bar) (one psi !),
on comprend pourquoi la Quasiturbine est particulièrement bien adaptée aux systèmes à la haute efficacité...

Adiabatique versus isothermal
Comme la Quasiturbine pneumatique / vapeur comprend deux circuits, ces circuits peuvent au choix aussi
être alimentés en série en reliant la sortie de la première chambre à l'entrée de la seconde.
En plaçant un échangeur sur ce conduit on peut ajouter de la chaleur
et faire en sorte que la détente totale dans le moteur se rapproche d'une détente isothermal.
Remarquer que dans ce cas, les différentiels de pression interne vont s'auto-répartir entre les 2 chambres successives.
Dans les turbines conventionnelles, on fait souvent une telle chauffe intermédiaire
afin d'augmenter la puissance totale de la machine, sans nécessairement accroître le rendement.
Dans le cas de la Quasiturbine, le raccord en série réduit forcément la puissance spécifique
mais peut accroître le rendement si la chaleur intermédiaire est sans frais,
comme dans le cas de la chaleur atmosphérique en mode pneumatique.
Le recours au mode série peut présenter de l'intérêt dans le cas de forte pression
où la détente produit un grand refroidissement, mais présente peu d'intérêt
avec la Quasiturbine aux basses pressions, disons inférieur à 50 lb/po2 (psi).
Si le différentiel de pression est considérable,
les volumes et déplacements impliqués dans la détente initiale sont beaucoup moindre qu'à la détente finale,
de sorte que la machine en phase initiale doit être de plus petite dimension
(disons pour une détente de 600 à 300 psi) que pour la phase finale (de 300 à 0 psi).
Si l'utilisation d'une machine unique requiert une réduction initiale de pression,
cette perte initiale de pression dans un détendeur n'est pas convertie en énergie mécanique,
mais en énergie cinétique puis thermique dans la conduite, ce qui atténue évidemment le refroidissement adiabatique...
Parce que les volumes et déplacements en phase finale sont plus importants,
le même différentiel de pression à ce niveau produit plus d'énergie que lorsqu'on le traite à une pression plus élevée.
Autrement dit, pour tirer le maximum d'énergie d'une très haute pression,
il faudrait une cascade de machine commençant par les plus petites, chacune réduisant un peu la pression et alimentant la suivante...
Les machines à vapeur anciennes utilisent jusqu'à 3 machines (ou plus d'étages dans le cas de turbines),
le Titanic avait des machines à vapeur utilisant 4 étages de détentes...
MDI pour sa part propose une voiture pneumatique à très haute pression utilisant 3 étages à piston.
Rien n'empêche de juxtaposer 3 Quasiturbines de dimensions différentes pour faire encore mieux !
Dans le cas d'une source de pression qui s'épuise avec le temps comme l'air comprimé dans des cylindres,
l'inconvénient évident est qu'il faut traîner un ou des étages inutiles lorsque la pression devient moindre.
Un réservoir haute pression se refroidi progressivement lorsqu'il se déverse dans un réservoir intermédiaire basse pression,
mais c'est à l'entrée du réservoir basse pression que la détente est violente et où le refroidissement est le plus considérable.
Cependant, la violente détente amène avec elle de l'énergie cinétique
qui ne se transforme pas alors en travail mécanique, mais en chaleur,
réduisant ainsi l'effet net de refroidissement dans le réservoir basse pression ou dans la conduite.
Il n'est cependant pas très sage d'utiliser l'énergie de pression du réservoir haute pression
pour réchauffer partiellement le réservoir intermédiaire basse pression,
d'où l'intérêt d'utiliser des détentes mécaniques multiples  avec des réchauffeurs isobars entre les étages !
L'énergie étant proportionnel à la pression fois le volume, l'énergie est faible après chaque détente même s'il y a pression,
parce que le volume est contracté et faible, et c'est la chauffe qui redonne du volume,et donc de l'énergie
Ces détentes multiples sont rentables dans le cas de systèmes de plusieurs mégawatts
(à pression initiale élevée et soutenue) ayant des facteurs d'utilisation importants,
mais sont plus difficile à justifier dans le cas de petits véhicules demandant quelques dizaines de kW seulement,
dont le facteur d'utilisation est d'une demi-heure par jour, et dont la haute pression des réservoirs n'est pas soutenue !
Tout ceci démontre que plus les pressions sont élevées et que les températures sont basses,
moins le système de production / récupération est efficace.

Voir aussi : 
Quasiturbine - Efficacité comparative aux autres moteurs
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTEfficaciteComparative.html

 
Quasiturbine pneumatique-vapeur modèle QT50SC (Sans chariot)
Utilisable avec des pressions d'admission soutenues aussi basse que 20 à 50 lb/po²!

Quasiturbine pneumatique-vapeur modèle QT50AC (Avec chariots)
Assumant un différentiel de pression de 500 lb/po.ca., ce graphique donne pour chaque rpm :
le couple moteur, la puissance et de débit géométrique à l'entrée.
Ces résultats peuvent être ajustés linéairement pour d'autres différentiels de pression.
Utilisable avec des pressions d'admission soutenues aussi basse que 20 à 50 lb/po²!
En pratique, diviser par 2 le couple et la puissance pour tenir compte du facteur de forme.

CONCEPT THERMO-PNEUMATIQUE À L'AZOTE

L'azote liquide est en quelque sorte un rejet de la distillation de l'oxygène liquide, et est conséquemment relativement bon marché.
Pour éviter de consommer de l'énergie dans la chaleur latente haute température (comme l'évaporation de l'eau par exemple),
et mieux investir cette énergie dans une extrême surchauffe qui accroît l'efficacité thermodynamique du cycle,
nous proposons un cycle thermo-pneumatique ouvert, faisant usage d'un évaporateur d'azote
pouvant être la Quasiturbine elle-même (qui devient alors un "flash steam generator"),
voir http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTVapeur.html
suivi ou non d'un surchauffeur (ou surchauffe de la Quasiturbine elle-même).

Le monde des énergies nouvelles et écologiques considère souvent des solutions 2 ordres de grandeurs inférieures au pétrole.
Assumant qu'une source de chaleur à température ambiante est toujours disponible sans frais,
un litre d'azote liquide contient seulement de 10 à 15 fois moins d'énergie mécanique qu'un litre d'essence, et cela ne pollue pas !
[Specific energy greater than 110 W-h/kg-LN2 (90 W-h/l-LN2 or 400 kJ/kg-LN2)
without relying on isothermal expanders (which double the energy output).
Gasoline mechanical energy is around 1 third (18% in transportation) of 9600 W-h/liter.
Best lead battries have ~30 W-h/liter-lead]
(l'azote liquide est de l'énergie mécanique pure, tandis que l'essence est 1/3 mécanique, 2/3 thermique).
Ce cycle haute performance est particulièrement simple à construire, non polluant, 
et nous paraît particulièrement bien indiqué pour les unités portatives.
Il se prête aussi merveilleusement bien aux sources de chaleur pure, comme les stations de conversion d'énergie solaire.
Ce concept permet aussi de concevoir un cycle de fonctionnement dans lequel la quantité de chaleur donnée à l'azote liquide
soit telle que la température des échappements après détente dans le moteur soit égale à la température ambiante !
(Voir aussi le CRYOCAR à pollution zéro utilisant l'azote liquide, de l'Université de l'état de Washington :
http://www.aa.washington.edu/AERP/CRYOCAR/HomePage/Index.htm )

Comme le rendement croît rapidement avec la surchauffe, nous proposons d'utiliser en plus 
un petit brûleur au propane par exemple, pour surchauffer l'azote gazeux (et par conséquent la Quasiturbine elle-même), 
de sorte que les températures d'échappements après le refroidissement adiabatique soient de l'ordre de 100 degrés Celsius ou plus. 
Ce régime permet plusieurs avantages :
- Accroît le rendement de 50% ou plus.
- Bien que les échappements d'azote soit sans humidité pour le premier étage d'échangeur de l'évaporateur,
la condensation de l'humidité pose problème dans les étages subséquents si réchauffés à l'air ambiant,
ce que l'usage d'un brûleur supprime complètement.
- Remarquer que l'énergie du brûleur se retrouve dans les échappements chauds d'azote,
et que cette énergie est récupérée par la vaporisation de l'azote liquide, l'apport net est donc transitoire et minime en continu.
- Le brûleur est de toutes façons requis abord des véhicules en région nordique pour réchauffer l'habitacle!

La chaleur de vaporisation et de réchauffement de l'azote liquide pourra ultérieurement être récupérée
en remplaçant l'évaporateur par une Quasiturbine-Stirling montée cote-à cote sur le même arbre:
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTStirling.html

Note sur l'efficacité
Comme pour la vapeur, l'efficacité du cycle est fonction de la capacité à réaliser une surchauffe du gaz.
Le refroidissement dans une bouteille de gaz pressurisée est initialement considérable,
ce qui réduit beaucoup la pression de la bouteille, mais pire refroidit le gaz qui augmente de densité et se consomme alors trop rapidement.
Si le milieu ambiant peut fournir de la chaleur de chauffe gratuite tant mieux, mais la surchauffe impose généralement un brûleur (hybride).
Un agencement efficace requiert donc un échangeur (pour réchauffer à la température ambiante) à la sortie de la bouteille,
suivit d'un surchauffeur du gaz (propane ou autre) juste avant l'entrée dans le moteur à détente (Quasiturbine).
La disposition à privilégier serait donc un brûleur en partie inférieur juste en dessous du surchauffeur,
sur lequel la bouteille pourrait elle même se trouver pour bénéficier d'une réchauffe résiduelle,
et finalement l'échangeur (pour réchauffer à la température ambiante) coiffant le tout...
Les gaz d'échappement du moteur dépourvus d'humidité gagnent à être injectés au niveau supérieur du surchauffeur pour éviter le givre.
La réversibilité d'un système de stockage pneumatique se détériore avec la pression maximum choisie,
à moins de conserver dans le réservoir la chaleur des gaz au moment de la compression (stockage courte durée inférieur à 10 bar - 150 lb/po²).

Au moment de l'utilisation, l'azote liquide présente un avantage thermodynamique
sur les gaz comprimés provenant de bouteilles à très haute pression.
En effet en ce détendant, les très hautes pressions produisent un froid intense
qui réduit progressivement le volume des gaz et réduit ainsi l'énergie extraite.
Avec des bouteilles à très haute pression, l'énergie dans la bouteille est strictement celle de la détente adiabatique
(ignorant l'énergie potentiel générée par la froideur du gaz, laquelle est récupéré par un apport extérieur !),
alors qu'un apport de chaleur extérieur parfois gratuite (air ou eau ambiant)
permet d'extraire de la bouteille (détente isothermal) plus d'énergie qu'elle en contient, mais pas plus que le total bouteille + apport thermique.
Cependant, pour produire la puissance nécessaire à la propulsion d'un véhicule
avec une Quasiturbine de taille raisonnable (QT75SC), un différentiel de pression de 50 à 100 lb/po2 (psi) suffit.
Alors à quoi bon disposé d'un différentiel de 5000 ou 3000 psi
lesquels requièrent pour être efficace une détente à étages multiples (compliqué par le fait que la pression des bouteilles se réduit avec le temps),
alors que la vaporisation de l'azote liquide permet justement de créer exactement le modeste différentiel de pression requis,
et de procéder à la préchauffe de la même façon...
Plus les pressions en cause sont basses, plus grande est l'efficacité !

Quasiturbine Pneumatique et la Pile à Combustible :
Un Mariage Parfait (à l'aide d'azote liquide) !
Voir : http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTPileCombustible.html

A Thermo-Pneumatic Quasiturbine Locomotive
(with addendum on subway operation)
See : http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTPneuLocoValen030908.html

Un projet visant la construction d'une moto Quasiturbine de démonstration fonctionnant à l'azote liquide
est en phase de planification au Cegep de Rimouski, Québec (projet temporairement ? suspendu au printemps 2002)
Concours Force Avenir http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTRimous0203.html

Pour en savoir davantage, voir le document technique à la section :
Pourquoi la Quasiturbine révolutionne-elle l'usage de la vapeur et de l'énergie solaire ?
http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTvapeurPourquoiF.html

Auto à air comprimé (véhicule pneumatique)
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTVehiclulepneumatique.html

Quasiturbine Pneumatique Inc.
Casier 2804, 3535 Ave Papineau, Montréal Québec H2K 4J9 CANADA (514) 527-8484 Fax (514) 527-9530
http://quasiturbine.promci.qc.ca             quasiturbine@promci.qc.ca