Brevet FR2333208A1 — publié le 19770624

La présente invention concerne une installation ou une machine thermodynamique reversible, notamment pour le chauffage de bâtiments â à usage d'habitation ou industriel, ou encore pour la production d'énergie mécanique a partir de chaleur. Les différentes installations ou machines mettant en oeuvre des systèmes thermodynamiques et exploitées jusqu'à présent dans le domaine de faibles écarts de température, sont du type à changement d'état, c'est-à-dire qu'elles utilisent un fluide dont l'état physique change en fonction des diverses transformations qu'il subit. Ceci permet généralement de n'utiliser qu'une seule machine tournante -compresseur ou détendeur- suivant que l'on fonctionne en pompe à chaleur ou en machine thermique. Cependant, même sur de faibles écarts de température, le taux de compression ou de détente nécessaire est relativement important, ce qui oblige à recourir à des machines volumétriques complexes ou à des machines rotatives à plusieurs étages. Les inconvénients de telles machines et/ou installations résident dans le fait que les rendements sont très médiocres, ce qui est particulièrement- néfaste, notamment pour les pompes à chaleur dont le coefficient de performance ainsi réalisé dépasse rarement le cinquième de celui d'une machine parfaite travaillant dans les mêmes écarts de température. Ceci est dû à l'irréversibilité du point de vue thermodynamique desdites machines. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précédents et de proposer le moyen de réaliser les opérations mécaniques nécessitées par un cycle thermodynamique avec un meilleur rendement et approchant au plus près la réversibilité thermodynamique. La présente invention a donc pour objet une machine ou installation thermodynamique, qui est de type dans laquelle un gaz décrivant un cycle thermodynamique est en contact successivement par l'intermédiaire d'échangeurs thermiques avec une source chaude et une source froide, ledit gaz échangeant de l'énergie mécanique avec un organe de transformation d'énergie, caractérisée en ce qu'au moins deux échangeurs thermiques sont à des hauteurs différentes dans un champ de pesanteur naturel ou artificiel et en ce que le gaz, au cours de son déplacement entre lesdits échangeurs thermiques, subit du fait dudit champ de pesanteur des variations de pression suffisantes pour provoquer des effets thermiques importants. Selon une autre caractéristique, l'ensemble du circuit où se déplace le gaz est entraîné en rotation. Ceci permet de créer un champ de pesanteur artificiel et de réduire considérablement les dimensions de la machine. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit dans lequel circule le gaz est fermé et constitué par un ensemble de conduites immobiles les unes par rapport aux autres, de manière à pouvoir utiliser un gaz 3 des pressions élevées, de rendre conséquence la machine plus compacte et d'assurer un déplacement régulier du gaz dont la vitesse est modérée, et à réduire au maximum les pertes de charge. Selon une autre caractéristique, une partie des conduites du circuit constituent les échangeurs thermiques qui peuvent éventuellement être en contact avec les sources froide et chaude, de façon à simplifier la machine, notamment par la réduction au strict minimum du nombre des échangeurs thermiques utilisés. Suivant une autre caractéristique,les changements de pression s'effectuent de façon adiabatique et d'autres changements s'effectuent au moins partiellement dans un des échangeurs thermiques, ce qui permet de réaliser dans le cycle thermodynamique des élévations detempérature avec facilité et d'optimiser l'utilisation desdits échangeurs thermiques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa raieront clairement à la lecture de la description des modes de réalisation donnés à titre indicatif mais non limitatif, ainsi que du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une installation de chauffage pour un immeuble de grande hauteur; la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la fig. 1; la figure 3 est. un diagramme du cycle thermodynamique décrit par le gaz dans l'exemple de réalisation de la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une machine tournante selon un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5 est un diagramme du cycle thermodynamique décrit par le gaz dans l'exemple de réalisation de la figure 4. En se référant aux figures 1 à 3, l'installation selon l'invention qui est destinée au chauffage d'une tour suivant le principe de la pompe à chaleur, comprend une conduite verticale 1 disposée sur toute la hauteur de la tour et munie éventuellement d'ailettes 11 pour améliorer l'échange thermique avec l'intérieur de la tour. La conduite verticale I est raccordée avec une conduite horizontale inférieure 2 qui traverse le mur ou paroi extérieure 8 de la tour à travers une gaine isolante 10. Une autre conduite verticale 3 également munie d'ailettes-12 est située à l'extérieur de la tour et relie la conduite horizontale 2 à une autre conduite horizontale supérieure --4 qui traverse également le mur 8 à travers une gaine isolante 9. Cette conduite 4 est également raccordée à la conduite verticale 1.Dans cette dernière zone de raccordement est disposé un compresseur 5. En outre, les conduites horizontales 2 et 4 sont réunies, tranche par tranche, par des ponts thermiques 6 constitués par des éléments de conduite verticaux traversés en haut et en bas par lesdites conduites 2 et 4, et thermiquement isolés par une garniture extérieure 7 (figure 2). De préférence, les parois 6' qui séparent deux tranches successives sont constituées par un maté -riau peu conducteur de la chaleur. Un liquide vaporisable 13 remplit la partie inférieure de chacun des ponts thermiques 6 et assure la transmission de la chaleur de la conduite 2 vers la conduite 4 par transport de vapeur. La vapeur formée se condense sur la conduite 4 et les gouttes formées 14 retombent par gravité. On assure ainsi le transfert thermique de la conduite 2 vers la conduite 4 avec un écart de température extrêmement faible. Dans ce mode de réalisation, les conduites horizontales 2 et 4 dont la différence d'altitude est égale à la hauteur de la tour, tiennent également lieù d'échangeurs thermiques avec un fluide auxiliaire qui transporte les calories de l'une à l'autre. L'ensemble des conduites 1 à 4 est rempli d'un gaz qui se trouve, dans ces différentes conduites, à des pressions différentes par suite de l'existence du champ de pesanteur terrestre, la pression étant plus basse dans la conduite 4 que dans la conduite 2. En l'absence du compresseur 5, il en résulterait un effet de tirage naturel qui obligerait le gaz à circuler vers le haut dans la conduite verticale 1 qui est à la température intérieure de la tour, ou source chaude, et à circuler vers le bas dans la conduite verticale 3 qui est à l'extérieur et que l'on suppose plus froid (source froide). Le role du compresseur 5 est précisément de compenser l'écart de pression résultant de cette situation et de fournir en outre un écart de pression supplémentaire obligeant le gaz remplissant les conduites et qui circule vitesse modérée, à circuler dans le sens opposé dudit tirage naturel, c'est-à-dire à descendre dans la conduite chaude 1 et à remonter dans la conduite froide 3. Le fonctionnement du cycle thermodynamique ainsi parcouru est représenté à la figure 3. Dans la conduite ou cheminée 1 où le gaz descend, la pression augmente et la température reste sensiblement constante grâce aux échanges thermiques dus aux ailettes 11 (segment 21). Dans la conduite horizontale inférieure 2, où la pression ne varie pas, le gaz, par contacts successifs avec les ponts thermiques 6, cède sa chaleur et se retrouve à une température voisine de la température extérieure, par exemple OOC. On parcourt ainsi le segment 22 du cycle thermodynamique. Dans la conduite ou cheminée 3 dans laquelle le gaz de déplace du bas vers le haut, ledit gaz se détend tout en restant à température pratiquement constante. Grâce aux échanges thermiques avec ltéxtérieur assurés par les ailettes 12, le gaz étant plus froid dans la conduite verticale 3 que dans la conduite verticale 1 se retrouve à l'extrémité supérieure de la conduite 3 à une pression plus basse qu'il ne l'était à l'extrémité supérieure de la conduite 1 (segment 23). Dans la conduite 4 se réalise à nouveau un réchauffement du gaz grâce à la chaleur amenée par les ponts thermiques 6 (segment 24). Le rle du compresseur 5 est de fournir au gaz l'écart de pression qui existe entre les segments 21 et 24 du cycle thermodynamique. Dans une forme de réalisation préférée, le compresseur 5 est aménagé de façon que la température du gaz n'augmente pas grâce à des échanges thermiques appropriés On obtient ainsi le segment 25 qui ferme le cycle thermodynamique qui se trouve etre réalisé entièrement-par des opérations reversibles a priori et qui présente un rendement égal au rendement théorique d'une machine parfaite fonctionnant entre les mêmes températures. On voit clairement apparaitre un avantage de la présente invention. En effet, alors que les opérations pour réaliser les segments 21 et 23 du cycle thermodynamique s'accompagnent nécessairement, dans les machines connues, d'échanges mécaniques avec l'extérieur, lesdites opérations, dans la présente invention, sont réalisées avec le champ de pesanteur terrestre et dans des conditions aussi reversibles qu'on peut le désirer. Seule l'opération relative au segment 25 correspondant à l'énergie mécanique nécessaire pour satisfaire le deuxième principe de la thermodynamique, se réalise avec un appareil dont le rendement intrinsèque peut être nettement inférieur à l'unité. Les pertes de charge qui, dans les machines-connues et fonctionnant suivant le même cycle thermodynamique, sont généralement considérables aux endroits où la vitesse relative du fluide en mouvement et des parois motrices est grande, sont dans la présente invention réduites aux pertes de charge provoquées par l'écoulement du gaz, à vitesse modérée, dans les conduites 1 à 4. Les transformations principales de compression et de détente qui se réalisent dans les conduites 1 et 3 sont pratiquement sans apport d'énergie externe. Bien entendu, le compresseur 5 peut être situé en un endroit quelconque de l'installation pour autant qu'il réalise un segment de raccordement présentant le même roule que le segment 25 du cycle thermodynamique de la figure 3.I1 peut être également constitué par plusieurs petits compresseurs disposés à des endroits appropriés soit pour obtenir le résultat global recherchés soit pour favoriser telle ou telle opération partielle du cycle thermodynamique. Le gaz qui remplit le dispositif peut être quelconque et à une pression quelconque; l'installation ou la machine selon l'invention est plus compacte si la pression d'ensemble est plus élevée, le rendement du cycle thermodynamique n'étant pas affecté en première analyse. Suivant une autre réalisation représentée à la figure 4, le champ de pesanteur naturel terrestre est remplacé par un champ artificiel réalisé dans une machine tournante dans laquelle on évite, en outre, l'utilisation des échangeurs thermiques intermédiaires reliés par les ponts thermiques 6 de l'installation re présentée à la figure 1. Le cycle thermodynamique de la machine suivant cette autre réalisation de la figure 4 est constitué par cinq segments 121 à 125 dans lesquels les segments 122 et 124 correspondent à des transformations reversibles adiabatiques (figure 5). La machine comprend un corps tournant 100 entraîné en rotation par un moteur 100a avec des vitesses périphériques importantes, par exemple 200 m/s, et une succession d'enceintes ou de sections formant un ensemble étanche dans lequel le gaz effectuant le cycle thermodynamique est emprisonné, les différentes sections étant immobiles les unes aux autres. La section 101 qui correspond à la conduite 1 est disposée radialement et aménagée de façon à pouvoir échanger de la chaleur avec l'extérieur. Le gaz se déplace dans cette enceinte 101 en s'éloignant de l'axe de rotation. I1 s'y comprime et cède au fur et à mesure de la chaleur correspondant à la source chaude par un moyen détaillé plus loin; cette opération correspond au segment 121 du cycle thermodynamique. La température du gaz, à l'entrée comme à la sortie de la section 101 est par exemple de 200C. Dans la section 102 qui le ramène plus près de l'axe de rotation de la machine, le gaz subit une détente adiabatique qui se traduit par un abaissement de la température jusqu'à OOC par exemple (segment 122). Le gaz se déplace ensuite dans la section ou conduite 103 dont la hauteur ou distance à l'axe de son extrémité est différente de l'extrémité supérieure de la section 101, et continue à se détendre en absorbant de la chaleur par un moyen qui sera décrit plus loin et on réalise ainsi le segment 123. Enfin, dans la section 104, le gaz s'éloigne à nouveau de l'axe en subissant une compression adiabatique qui le ramène à la température de 200C (segment 124). Un compresseur 105 entraîné par un moteur 105a fait subir au gaz le saut de pression nécessaire pour fermer le cycle thermodynamique et obtenir le segment 125; ce compresseur 105 est de préférence aménagé pour être lui aussi isotherme et fournir également l'excédent de pression nécessaire pour compenser les pertes de charge internes correspondantes au débit souhaité.Comme dans le cas de l'installation des figures 1 à 3, le compresseur 105 ne fournit que l'énergie mécanique strictement nécessaire et on peut alors utiliser un compresseur dont le rendement soit inférieur à l'unité, car les opérations pour obtenir les segments 121 et 123 qui s'accompagnent nécessairement de variations d'énergie mécanique se font par échange avec le champ de gravitation artificiellement créé et sont aussi réversibles qu'on peut le souhaiter; les seules pertes de charge sont, également dans cette machine, créées par l'écoulement interne, à vitesse modérée, du gaz qui parcourt le cycle thermodynamique. Une particularité importante apparaît dans la machine de la figure 4. L'écart de température entre les deux sources chaude et froide auxquelles la machine est reliée est compensé par des transformations adiabatiques dont l'importance dépend de la vitesse de rotation de ladite machine. Une exploitation rationnelle de cette machine entraînera une modification de la vitesse de rotation, en fonction de l'écart de température recherché, ce qui peut être réalisé très facilement par un variateur de vitesse 100b dispose'entre l'arbre d'entratnement du corps 100 et le moteur 100a, ledit variateur étant par exemple du type à courroie 107 reliant deux poulies 108 à rayons continuement variables. La vitesse de rotation du compresseur 105 par rapport au corps 100 dépend des conditions précédentes et du débit recherché. Dans une réalisation préférée, il suffit de disposer d'un compresseur 105 immobile dans l'espace et présentant par conséquent par rapport au corps 100, une vitesse de rotation relative égale.à celle dudit corps. On peut alors choisir la vitesse de rotation du corps 100 de façon à réaliser le meilleur compromis possible ou à moins que l'on ne puisse modifier séparément les caractéristiques du compresseur 105 en adoptant par exemple un système d'orientation variable des pales. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, il est préférable de choisir un gaz dont la capacité calorifique par unité de masse est faible; l'argon présente à ce point de vue des caractéristiques intéressantes; on peut également utiliser les gaz rares plus lourds tels que le xénon ou le krypton. Les échanges thermiques avec les enceintes 101 et 103 sont, de préférence, réalisés par des échangeurs multitubulaires dans lesquels ou autour desquels le gaz circule et dont les tubes sont disposés suivant des formes géométriques voisines de la spirale d'Archimède, s'ils sont à des distances variables de l'axe de rotation, de façon à adapter la surface d'échange disponible au flux thermique créé par les changements de pression. Sur la paroi opposée, ces échangeurs sont mis au contàct du côté froid, avec un gaz liquéfiable et, du côte chaud, avec un liquide vaporisable. I1 est particulièrement intéressant d'utiliser le même fluide à ces deux effets et les considérations de rendement mécanique amènent à sélectionner un fluide dont la chaleur de vaporisation par unité de masse soit aussi élevée que possible, par exemple le pentane. A cet effet, le corps 100 est enfermé dans une enceinte étanche 106 et on prévoit un joint à faible frottement ou un simple labyrinthe 109 qui isole le côté chaud du côté froid. Afin d'augmenter la durée et le silence de fonctionnement de la machine, on monte l'ensemble de ladite machine sur des paliers magnétiques dont le fonctionnement est silencieux, qui peuvent supporter les vitesses de rotation des parties tournantes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalistation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. C'est ainsi que l'installation ou machine selon l'invention peut être utilisée à la production d'énergie mécanique à partir de la chaleur fournie par une source chaude. Dans un cas d'utilisation particulier, la chaleur cédée par la source chaude peut être introduite par rayonnement direct, c'est-à-dire en'exposant au rayonnement du soleil ou de toute autre source thermique, les échangeurs correspondants de l'enceinte 101 dans la machine représentée à la figure 4. REvENDIoekTIONs 1. Installation ou machine thermodynamique, notamment pour le chauffage de batiments à usage d'habitation ou industriel, du type dans lequel un gaz décrivant, en circuit fermé un cycle thermodynamique, est en contact alternativement avec une source froide et une source chaude par l'intermédiaire d'échangeurs thermiques d'en trée et de sort, et un compresseur de mise en circulatioe dudit gaz, cafcérisee en ce que lesdits échangeurs d'entrée et de sortie relient des points du circuit situés à des hauteurs différentes dans un champ de pesanteur naturel ou artificiel, en ce que le gaz est à plus faible capacité calorifique par unité de masse que l'air et circule dans lesdits échangeurs en subissant des variations de pression sensiblement isothermes, et en ce que ledit gaz échange de la chaleur avec au moins un fluide liquéfiable à forte chaleur de changement d'état par unité de masse. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les échangeurs d'entrée et de sortie échangent de la chaleur avec les sources froide et chaude par l'intermédiaire du fluide liquéfiable. 3O Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les hauteurs des extrémités des échangeurs d'entrée et de sortie sont deux à deux égales et reliées par leurs-points situés à une môme hauteur, par des échangeurs thermiques intermédiaires et en ce qu'une partie au moins du fluide liquéfiable transporte de la chaleur de l'un à l'autre des échangeurs intermédiaires. 4. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les extrémités des échangeurs d'entrée et de sortie sont situées à des hauteurs différentes et sont reliées par des conduites dans lesquelles le gaz, en circulant, subit une détente ou une compression sensiblement adiabatique. 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le gaz est de l'Argon. 6. achine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fluide liquéfiable est du pentane. 7. Machine selon l'une des revendications I à 6, caractérisée en ce que le champ de pesanteur dans lequel circule le gaz est crée artificiellement p7r la rotation de circuit fermé. 8. Machine selon la revendication 4 ou 7, caractérisée en ce que la vitesse de rotation de la machine est fonction de l'écart de température entre la source froide et la source chaude. 9. Machine selon l'une des revendications i à 8, cractéri- sée en ce que le circuit fermé est enfermé dans une enceinte étanche dans laquelle règne une pression réduite. 100 Machine selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les échangeurs d'entrée et de sortie sont constitués par un ensemble de conduites réalisant une spirale à spires '0 p 4 ives