Brevet FR2167517A1 — publié le 19730824

L'invention concerne un appareil et un procédé pour produire du froid ou de la chaleur, un ou plusieurs fluides étant en circulation à l'intérieur de l'appareil pour produire du froid ou de la chaleur. Un tel appareil comprend un rotor pour comprimer un fluide primaire compressible dans ce rotor par action de la force centrifuge sur ce fluide primaire. Pour produire de la chaleur ou du froid, on connaît divers moyens comme les pompes de chaleur, où un fluide est comprimé dans un compresseur, ensuite condensé pour produire de la chaleur et puis détendu dans un évaporateur pour y donner du froid. Le principal inconvénient de ces appareils et moyens conventionnels est qutils nécessitent une grande quantité d'énergie pour leur fonctionnement et sont en général inefficaces. L'invention a pour but éviter cet inconvénient et concerne à cet effet un appareil du type ci-dessus caractérisé en ce que le fluide primaire est en relation d'échanges thermiques avec un second fluide à l'intérieur d'un stator extérieur au rotor, la chaleur étant transmise du fluide primaire au fluide secondaire, le rotor étant pourvu de passages appropriés pour le fluide primaire passant depuis une entrée située près du centre du rotor et l'espace périphérique du rotor, le fluide primaire circulant ensuite vers une sortie située près du centre du rotor afin d'y être évacué, le rotor étant équipé avec des ailettes intérieures étudiées afin d'obtenir que le fluide primaire soit mis en rotation avec le rotor, ailettes servant aussi comme parois d'échanges thermiques, les parois du rotor étant prévues avec une isolation thermique comme requis pour prévenir des échanges thermiques non souhaitables, le rotor étant équipé avec un axe pour la transmission du mouvement des paliers et des dispositifs d'etanchéité supportant le rotor, un corps ou stator contenant le fluide secondaire et assurant un support aux paliers du rotor, ce corps ayant des ouvertures d'entrée et sortie pour le fluide secondaire et contenant les passages nécessaires pour assurer la circulation du fluide secondaire autour du rotor, deux fluides circulant en relation d'échanges thermiques à travers ledit appareil, le fluide primaire étant un fluide compressible, le fluide secondaire étant soit compressible, soit incompressible, suivant les applications. L'invention constitue un appareil et un procédé de production de chaleur et de froid du type normalement requis par le conditionnement de l'air, le chauffage ou la réfrigération. L'invention constitue également un procédé et un appareil générateur de vapeur, un générateur de vapeurs de liquides utilisable en centrales énergétiques ou en chaufferie. En outre, l'invention fournit un équipement pour chauffer de l'eau ou d'autres liquides. L'appareil suivant l'invention est applicable à des systèmes de conditionnement d'air, l'air qui circule dans un espace à conditionner circulant aussi dans l'appareil, sans aucun fluide intermédiaire comme le fréon ou autre liquide similaire. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe de l'appareil où un fluide est à l'intérieur du rotor et un autre fluide est à l'extérieur du rotor; - La figure 2 est une élévation de l'appareil montré sur la figure 1; - La figure 3 est une vue en coupe d'un appareil dans lequel deux fluides circulent dans le rotor tournant de l'appareil; - La figure 4 est une élévation de l'appareil montré sur la figure 3; - La figure 5 est une vue en coupe d'un appareil où deux fluides circulent dans le rotor tournant; - La figure 6 est une vue en élévation de l'appareil montré sur la figure 5. La figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de l'appareil dans lequel le rotor comporte des conduites pour l'un des fluides alors que l'autre fluide est à l'extérieur du rotor. Le premier fluide étant le fluide compressible, celui-ci est à l'intérieur du rotor alors que le second fluide est à l'extérieur.Le corps de ltéchangeur est représenté en 10, le passage du fluide par 11, le rotor par 12, en 13 est indiqué l'espace occupé par le fluide autour du rotor 12, par 14 le passage du fluide ainsi que 15, 16 le passage du fluide à chauffer, 17 le trajet du fluide dans le rotor, 18 le trajet du fluide dans le rotor, 19 et 35 les paliers et étanchéités du rotor, 20 et 30 les sorties du premier fluide du rotor décrit, 22 et 23 indiquent des cloisons internes du rotor, 25 l'espace occupé par le fluide à l'intérieur du rotor, 33 une couche protectrice d'isolant thermique appliquée sur les parois du rotor là où il faut éviter une transmission thermique non souhaitable, 34 le trajet du fluide, 26 et 27 étant l'entrée et la sortie du second fluide, 31 représentant l'espace occupé par le fluide à l'intérieur du corps, 28 l'axe de rotation du rotor auquel est appliquée la puissance motrice requise pour le faire tourner. Sur la figure 2, les repères 26 et 27 représentent l'entrée et la sortie du second fluide, 10 est le corps de l'appareil, 12 en est le rotor, 23 une ailette interne du rotor servant à faire tourner le premier fluide dans le rotor et aussi comme surface d'échange de chaleur, 13 étant l'espace occupé par le fluide dans le corps de l'appareil, 25 le passage du fluide dans le rotor, 29 l'entrée du premier fluide et 30 sa sortie, 32 représentant la base de l'appareil. Sur la figure 3, est représentée une vue en coupe d'un exemple de construction d'appareil où 40 est le corps ou stator, 41 le rotor, 50 l'axe du rotor, 47 et 58 les paliers et les dispositifs d'étanchéité supportant le rotor, 52 un perçage qui met en communication l'espace situé entre le stator et le rotor avec l'extérieur. Le courant de fluide à réchauffer, qui est aussi appelé second fluide, pénètre dans le rotor 41 par l'ouverture 57, le traverse suivant le trajet 43 pour aboutir à la sortie 49, les ailettes 46 étant placées sur le passage 43 pour améliorer le transfert de chaleur. Un autre fluide, considéré comme premier fluide, entre dans le rotor par l'ouverture 56, traverse tout le rotor tournant 41 suivant le trajet 42. Ce courant fluide est comprimé par la force centrifuge due à la rotation du rotor; le passage de fluide 42 est équipé d'ailettes 45 qui assurent la rotation du premier fluide avec le rotor et servent aussi comme moyen d'échange thermique. Le courant de fluide pénétrant dans le rotor par l'ouverture 56, étant dans le circuit fluide extérieur, est soumis à une plus grande force centrifuge que le fluide entrant par l'ouverture 57. En 55 est représentée une cloison de partage et 53 est l'enveloppe externe du rotor, 51 indique une couche d'isolant thermique pouvant être appliquée sur la surface du rotor là où il faut éviter des transferts de chaleur entre les deux courants de fluides. Sur la figure 4, est illustrée une élévation de l'appareil montré par la figure 3, avec une vue éclatée pour montrer des détails internes. 40 est le corps ou le stator, 45 une ailette sur le trajet du fluide, 46 une ailette dans un passage du fluide, 42 représente un trajet externe de fluide, 43 un trajet interne de fluide, 55 une séparation centrale de division, 41 un rotor, 56 et 57 les ouvertures d'entrée, 59 le socle de l'appareil. Sur la figure 5, est représentée en coupe un autre exemple de réalisation de l'invention. Cet exemple est spécialement conçu pour un premier fluide gazeux et pour un second fluide liquide, appareil dans lequel le second fluide est réchauffé. Un tube à ailettes est utilisé pour la circulation du second fluide à l'intérieur de la cavité du rotor. 90 désigne le rotor, 91 le trajet du premier fluide dans le rotor, 92 la conduite du second fluide, 93 une conduite de distribution du second fluide, 94 l'entrée du premier fluide dans le rotor, 95 le palier de l'axe du rotor 96, 97 une entrée du second fluide, 98 la sortie du second fluide, 99 le palier de l'axe du rotor, 100 la sortie du premier fluide, 101 la conduite de distribution du second fluide, 102 la cloison centrale du rotor et 103 le socle de l'appareil. Sur la figure 6 est montrée une élévation de l'appareil montré sur la figure 5. 90 est le rotor, 91 le passage du premier fluide, 92 la conduite du second fluide, 102 la paroi de séparation du rotor, 103 le socle de l'appareil, 96 l'axe, 99 le palier et son support, 100 la sortie du premier fluide, 97 et 98 les entrée et sortie de fluide. En fonctionnement, en se référant aux figure 1 et figure 2, le premier fluide entre dans le rotor 12 par les ouvertures 21 et 29, et passe dans l'intérieur du rotor, par le trajet 18 vers le passage 25 et de là vers le passage 17 et les sorties 20 et 30. Ce que nous appelons premier fluide est comprimé à l'intérieur du rotor par la force centrifuge due à la rotation du rotor et qui stexerce sur le fluide. Comme résultat de cette compression, la température du premier fluide s'élève, cette augmentation de température fournira la différence ou gradient de température nécessaire pour que l'échange de chaleur puisse avoir lieu entre le premier fluide contenu dans le rotor et le second fluide situé à l'extérieur. En conséquence, cela donnera un supplément de chaleur au second fluide et une perte de chaleur au premier fluide.Le premier fluide sera détendu à sa pression initiale par les passages 17 dans le rotor. Avec cette détente,-la température du premier fluide est abaissée, avec comme conséquence un fluide plus froid à la sortie du rotor qutà son entrée dans le rotor. Le second fluide circule à l'intérieur du corps de ltéchangeur en contact avec le rotor tournant. Une isolation thermique est normalement requise pour éviter des transferts de chaleur en certains points du rotor. Le repère 33 de la figure 1 montre un tel exemple d'application. Le corps de l'échangeur 10 sur la figure l peut être partiellement supprimé de sorte que l'air ambiant, ou quelqu'autre fluide, fonctionnera comme second fluide; une telle construction peut être utilisée pour fournir de l'air frais dans un système de conditionnement d'air, Egalement, des ailettes peuvent être placées sur la surface externe du rotor 12 afin d'améliorer le transfert de chaleur de la surface du rotor vers le second fluide. Les passages vers le rotor 12 sont montrés sur les deux faces du rotor. Ces passages peuvent autre conçus pour être tous d'un seul côté, ou les entrées sur un côté et les sorties sur l'autre côté, en restant dans le cadre de l'invention. L'utilisation des appareils montrés aux figures 3, 4, 5, 6 est similaire à celle décrite pour l'appareil précédent. Un des fluides, le premier fluide, est un fluide compressible, par exemple de l'air, et l'autre fluide dit second fluide est un fluide compressible ou un fluide non compressible. Le premier fluide cèdera sa chaleur dans 1?échangeur et le second fluide gagnera de la chaleur dans appareil objet de l'invention. Dans le rotor, le premier fluide est comprimé à une pression élevée avec accroissement de température en résultant. Le second fluide est aussi comprimé.L'augmentation de pression sera moindre que dans le cas du premier fluide et la température résultante plus basse que pour le premier fluide, ou encore le second fluide sera moins compressible que le premier fluide, on aura peu ou pas d'augmentation de température due à l'action de la force centrifuge sur le second fluide dans le rotor. En conséquence, le premier fluide aura toujours une température supérieure dans le rotor à celle du second fluide, et les fluides étant en relation d'échange thermique, le transfert de chaleur aura lieu du fluide le plus chaud au fluide le plus froid.Il est nécessaire de souligner que si le premier fluide et le second fluide sont les mêmes, par exemple de l'air, il peut être prévu à l'intérieur du rotor, comme sur la figure 3, que le premier fluide aura une vitesse tangentielle plus élevée pour le premier fluide que pour le second fluide; l'échange de chaleur aura lieu. De même, en référence à la figure 5, la vitesse tangentielle de deux courants de fluides peut être la même quand le second fluide est un liquide, les liquides ayant une augmentation minime de température en fonction de l'augmentation de pression; pour cette raison, l'échange de chaleur aura lieu depuis le premier fluide plus chaud vers le second plus froid.Ainsi il doit être clair que différents types de fluides peuvent traverser cet échangeur de chaleur en prévoyant des passages de fluide dans le rotor de manière adéquate pour satisfaire aux propriétés physiques des fluides utilisés. Il y a nombre d'applications où ces appareils peuvent servir. Le courant de fluide quittant l'appareil après refroidissement peut servir pour le conditionnement d'air ou la réfrigération. Le courant de fluide réchauffé dit second fluide peut être utilisé pour le chauffage. De plus, le second fluide, s'il est liquide quand il pénètre dans le rotor en question, peut être, soit partiellement ou entièrement vaporisé, soit dans le rotor, soit être vaporisé dans un ballon-évaporateur après avoir quitté le rotor. En conséquence, l'appareil peut être employé pour fournir de la vapeur et faire marcher des turbo-génératrices ou des moteurs thermiques. Les parois du rotor peuvent être ajustées dans un stator comme représenté sur la figure 3. Cela permet au rotor en rotation de créer un vide partiel dans l'espace compris entre le rotor et le stator, et ainsi de réduire les pertes par friction fluide sur le rotor. Dans un autre cas, une pompe à vide peut être branchée sur l'ouver- ture 52 de la figure 3, afin de vider l'espace compris entre le rotor et le stator, et ainsi d'éliminer les pertes par frottement du rotor. L'énergie requise pour cet appareil est très faible. En référence à la figure 3, du travail est nécessaire pour accélérer un fluide quand ce fluide passe de l'entrée 56 au passage 42 près de la périphérie. Quand ce premier fluide est ensuite passé du passage 42 à la sortie 4d, le travail est en majeure partie rendu quand le fluide ralentit, de sorte que le travail dépensé est réduit à celui nécessaire pour accélérer le fluide depuis une vitesse nulle jusqu'à celle quVil doit avoir à sa sortie 48. La même chose est vraie pour le fluide circulant de l'entrée 57 à la sortie 49. Puisque le diamètre de la sortie 48 est plus grand que le diamètre de l'entrée 56, le fluide circulera de 56 vers 48. Cela provoquera nécessairement un phénomène de pompage afin de garder le mouvement du fluide à travers le rotor. Dans un autre cas, l'entrée et la sortie peuvent être d'une dimension variable à souhait, une pompe ou un ventilateur indépendant sont alors nécessaires pour maintenir le fluide en mouvement. Dans certains cas, la vitesse de rotation requise par le rotor peut devenir trop forte pour réaliser le transfert de la quantité de chaleur d'un courant de fluide à un autre courant de fluide. Un moyen commode pour obtenir un échange thermique supplémentaire est d'utiliser deux ou un plus grand nombre de rotors en série, avec le fluide à chauffer ou refroidir passant d'un rotor au suivant. Cette méthode peut être particulièrement souhaitable dans des cas où l'appareil est utilisé comme générateur de vapeur avec d'importantes quantités de chaleur nécessaires pour effectuer l'évaporation. Des équipements bien connus et appropriés comme niveaux, régulateurs, etc. peuvent être utilisés avec l'appareil décrit précédemment. Ils ne font pas l'objet de l'invention et ne sont pas décrits ici plus en détail. REVENDICATIONS 10) Appareil producteur de froid ou de chaleur et comprenant un rotor pour comprimer un fluide primaire compressible dans ce rotor par action de la force centrifuge sur ce fluide primaire, appareil caractérisé en ce que le fluide primaire est en relation d'échanges thermiques avec un second fluide à l'intérieur d'un stator extérieur au rotor, la chaleur étant transmise du fluide primaire au fluide secondaire, le rotor étant pourvu de passages appropriés pour le fluide primaire passant depuis une entrée située près du centre du rotor et l'espace périphérique du rotor, le fluide primaire circulant ensuite vers une sortie située près du centre du rotor afin d'y être évacué, le rotor étant équipé avec des ailettes intérieures étudiées afin d'obtenir que le fluide primaire soit mis en rotation avec le rotor, ailettes servant aussi comme parois d'échanges thermiques, les parois du rotor étant prévues avec une isolation thermique comme requis pour prévenir des échanges thermiques non souhaitables, le rotor étant équipé avec un axe pour la transmission du mouvement, des paliers et des dispositifs d'étanchéité supportant le rotor, un corps ou stator contenant le fluide secondaire et assurant un support aux paliers du rotor, ce corps ayant des ouvertures d'entrée et sortie pour le fluide secondaire et contenant les passages nécessaires pour assurer la circulation du fluide secondaire autour du rotor, deux fluides circulant en relation d'échanges thermiques à travers ledit appareil, le fluide primaire étant un fluide compressible, le fluide secondaire étant soit compressible, soit incompressible, suivant les applications. 20) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide primaire est de l'air, le fluide secondaire étant de liteau. 30) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide primaire est de lthydrogène, un hydrocarbure ou de l'ammoniac. 40) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour vaporiser le fluide secondaire. 50) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour obtenir du froid, ledit fluide primaire étant employé pour avoir un refroidissement. 60) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour obtenir simultanément de la chaleur et du froid 70) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide primaire est soit partiellement soit totalement condensé à l'intérieur de l'appareil. 80) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le stator affecté au rotor est un réservoir dans lequel le rotor provoque l'échauffement d'un fluide dans le réservoir. 90) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le stator de l'appareil est simplifié afin que l'air ambiant serve comme fluide secondaire. 100) Appareil producteur de froid et de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un rotor pour produire du froid ou de la chaleur, ce rotor ayant deux circuits de passage de fluides pour le passage à travers du rotor de deux fluides séparés; le fluide primaire passant dans le rotor tournant près du centre du rotor, passant ensuite vers la périphérie dudit rotor, ledit fluide primaire étant un fluide compressible; le fluide primaire étant déplacé du centre vers la périphérie du rotor, en éprouvant une augmentation de pression et de température, le fluide primaire échangeant alors de la chaleur avec le fluide secondaire dans la zone périphérique du rotor, le fluide primaire circulant ensuite de la zone périphérique vers le centre du rotor tournant et à travers le passage du rotor, le fluide primaire étant ensuite évacué dudit rotor par une sortie proche du centre; le fluide primaire ayant une température de sortie plus basse que sa température d'entrée dans le rotor, à cause de la chaleur transmise par le fluide primaire au fluide secondaire, à l'intérieur du rotor; un fluide secondaire entrant dans le rotor près du centre de celui-ci et le traversant dans le sens de la périphérie du rotor, le fluide secondaire étant ensuite guidé dans le rotor vers son centre et étant évacué près du centre du rotor, le fluide secondaire étant en relation d'échange thermique à la périphérie du rotor avec le fluide primaire de sorte que la chaleur est transmise au fluide secondaire, le rotor ayant des paliers et des organes d'étanchéité pour supporter le rotor, le rotor ayant un axe ou tout autre moyen de transmission de puissance afin d'assurer la rotation du rotor, un bâti ou stator supportant le rotor et pouvant aussi contenir le rotor, une source motrice pour faire tourner le rotor, cette source motrice pouvant être un moteur électrique, une turbine ou d'autres moyens adéquats, deux courants fluides étant introduits et traversant le rotor, le fluide primaire étant un fluide compressible et étant le fluide cédant de la chaleur, le fluide secondaire étant soit un fluide compressible ou incompressible et étant le fluide recevant la chaleur. 110) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le stator est ajusté avec précision sur le rot or. de sorte que la force centrifuge due à la rotation du rotor vide partiellement ltespace compris entre les parois du rotor et celles du stator, diminuant ainsi la résistance fluide de rotation du stator. 120) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le stator est équipé d'une pompe à vide pour vider l'espace compris entre le rotor et le stator et réduire ainsi le frottement fluide sur le rotor. 130) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le fluide primaire est de l'air, le fluide secondaire étant aussi de l'air. 140) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le fluide primaire est de l'air, le fluide secondaire étant de l'eau. 150) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le fluide secondaire est un liquide à son entrée, ce fluide secondaire étant réchauffé suffisamment pour se vaporiser, soit à l'intérieur de l'appareil, soit après avoir quitté celui-ci. 160) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que deux ou plusieurs rotors sont montés en série de sorte que le fluide secondaire est transmis d'un rotor au suivant avec un accroissement de température dans chaque rotor, dans le but de fournir au fluide secondaire davantage de chaleur que la quantité possible avec une machine à un seul étage, une telle combinaison pouvant être particulièrement avantageuse dans le cas d'utilisation de l'appareil comme générateur de vapeur. 170) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est utilisé comme moyen de chauffage pour des chauffe-eau. 180) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu?il constitue un équipement de conditionnement d'air, dans lequel l'air est utilisé comme fluide primaire, de l'air ou de l'eau servant de fluide secondaire. 190) Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'une isolation thermique est prévue en certains points entre les deux fluides, de façon que échange thermique soit évité, par ce moyen assurant presque une compression isotherme du fluide gazeux dans le rotor et une expansion isentropique du fluide dans le rotor, cette compression et expansion fournissant la pression différentielle requise pour mouvoir le fluide gazeux depuis entrée jusqu'à la sortie du rotor. 200) Procédé de refroidissement ou de chauffage caractérisé en ce qu'on effectue une circulation de fluide primaire en relation d'échanges thermiques avec un fluide secondaire, la température dudit fluide primaire étant élevée par compression du fluide primaire dans un rotor tournant avec une augmentation de température conséquente; l'augmentation de température étant utilisée pour effectuer un échange de chaleur vers un fluide secondaire contenu dans un stator autour du rotor, le fluide primaire étant de nouveau détendu dans le rotor tournant aveç une chute de température conséquente, de sorte que la température de sortie du fluide primaire sera inférieure à sa température d'entrée, le travail requis pour accélérer le fluide primaire à la vitesse périphérique du rotor étant presque entièrement récupéré quand le fluide est décéléré à son passage de la périphérie du rotor à la sortie située près du centre du rotor. 210) Procédé de refroidissement ou de chauffage caractérisé en ce qu'on introduit dans un rotor deux fluides en relation d'échanges thermiques, le fluide primaire étant compressible de sorte que la température de celui-ci est accrue quand ce fluide est soumis à la force centrifuge du rotor et comprimé, le fluide secondaire étant compressible ou incompressible, l'augmentation de température du fluide secondaire étant moindre que celle du fluide primaire soumis à la force centrifuge; en conséquence le fluide primaire après avoir perdu de la chaleur dans le rotor est évacué à une température inférieure à sa température d'entrée, le fluide secondaire quittant donc l'appareil à une température supérieure à celle de son entrée, après avoir absorbé de la chaleur dans le rotor, le fluide primaire et le fluide secondaire étant évacués du rotor tournant près du centre du rotor, ce qui réduit ainsi l'énergie requise pour faire tourner le rotor.